PROPUESTA METODOLÓGICA PARA EVALUAR LA CAPACIDAD DE CARGA DE TABLEROS DE PUENTES EXISTENTES DE CONCRETO REFORZADO BASADA EN PRUEBAS ESTÁTICAS DE CARGA MATEO LÓPEZ LARA TITO ALEJANDRO GOYENECHE ALVARADO PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2015
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA EVALUAR LA CAPACIDAD DE CARGA
DE TABLEROS DE PUENTES EXISTENTES DE CONCRETO REFORZADO
BASADA EN PRUEBAS ESTÁTICAS DE CARGA
MATEO LÓPEZ LARA
TITO ALEJANDRO GOYENECHE ALVARADO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2015
2
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA EVALUAR LA CAPACIDAD DE CARGA
DE TABLEROS DE PUENTES EXISTENTES DE CONCRETO REFORZADO
BASADA EN PRUEBAS ESTÁTICAS DE CARGA
MATEO LÓPEZ LARA
TITO ALEJANDRO GOYENECHE ALVARADO
DIRECTOR:
ING. EDGAR EDUARDO MUÑOZ DIAZ
Trabajo de grado presentado como
requisito para optar al título de:
INGENIERO CIVIL
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2015
3
DEDICATORIA
A Dios
A mi padre, Miguel Antonio,
ejemplo de vida y gallardía.
A mi madre, María Consuelo,
mujer luchadora y amorosa.
A mi hermano, Luis Miguel
símbolo de caballerosidad y respeto.
A mi hermano, Juan Felipe
perseverante y gran motivador de vida
Porque todo pasa por algo.
Mateo López Lara
4
DEDICATORIA
Agradezco primeramente a Dios por ser la luz
que alumbro mi camino y quien con su
providencia me permitió seguir caminando con
entereza y confianza de que todo iba a estar
bien.
De la misma manera dedico esta tesis a mi
madre que con su amor y compresión me enseño
a tener un corazón humilde, a valorar y respetar
a las demás personas, a ser una persona que
camina con felicidad.
A mi padre que con su perseverante forma de ser
me enseño a ser constante en mi vida, a creer en
los caminos de Dios por su ejemplo de vida, a
dejar el orgullo a un lado y ver con ojos de amor.
A mi hermanita que aun siendo una niña y
viéndola estudiar cada día, fue mi modelo a
seguir, te quiero hermanita.
Y a mi familia en general, pues más allá de lo
económico como siempre he pensado, la
bendición más grande que puede llegar a tener
un hombre es su familia. Gracias Dios por darme
esa bendición tan grande.
.
Tito Alejandro Goyeneche Alvarado
5
AGRADECIMIENTOS
Queremos agradecer a todas las personas que de alguna forma contribuyeron en
la elaboración de este trabajo de grado. Especialmente a:
Al Ing. Edgar Muñoz, director del trabajo de grado, por su inigualable apoyo
no sólo en la elaboración del trabajo de grado sino también en la
enseñanza impartida durante más de dos años.
Al Ing. Samir González, que de forma desinteresada nos colaboró con la
ejecución de la prueba estática de carga.
Al Alc. Félix Cárdenas, alcalde del municipio de Manta, por su entera
disposición y colaboración para que el trabajo de grado se realizara de la
mejor manera.
A la empresa Techinst S.A.S, por toda la información brindada que se utilizó
en la elaboración del trabajo de grado.
6
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN 12
2 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION 14
2.1 ANTECEDENTES INTERNACIONALES 15
2.1.1 Puente de viga y losa en concreto presforzado sobre el arroyo “Hannacrois”. 15 2.1.1.1 Capacidad de carga analítica 16 2.1.1.2 Instrumentación 19 2.1.1.3 Prueba de carga 20 2.1.1.4 Resultados 21 2.1.2 Evaluación de la capacidad de carga del puente atirantado, Antonio Dovalí
Jaime. 22 2.1.2.1 Descripción General del Puente 23 2.1.2.2 Pruebas estáticas de carga 24 2.1.2.3 Resultados 25 2.1.2.4 Modelo de elementos finitos y su correlación con los resultados obtenidos 26 2.1.2.5 Conclusiones 28 2.1.3 The Ida County bridge (Puente de viga y losa de sección mixta en el condado de
Ida, Iowa) 28 2.1.3.1 Preliminares 29 2.1.3.2 Instrumentación 29 2.1.3.3 Carga Estática 30 2.1.3.4 Prueba estática de Carga 31 2.1.3.5 Resultados de la prueba de carga 32 2.1.3.6 Resultados del modelo calibrado 33 2.1.3.7 Conclusiones 35 2.1.4 Sioux County bridge (Puente de viga y losa de sección mixta en el condado de
Sioux, Iowa) 35 2.1.4.1 Preliminares 36 2.1.4.2 Instrumentación 36 2.1.4.3 Carga estática 37 2.1.4.4 Prueba de carga 38 2.1.4.5 Resultados de la prueba de carga 39 2.1.4.6 Resultados del modelo calibrado 40 2.1.4.7 Conclusiones 41
2.2 Antecedentes nacionales 42
2.2.1 Capacidad de carga de 400 puentes de viga y losa de concreto reforzado y
preesforzado en Colombia 42 2.2.2 Puente de cercha metálica de paso inferior en Puerto Salgar 43 2.2.3 Viaducto atirantado, Cesar Gaviria Trujillo 45 2.2.4 Puente Cajamarca de sección mixta de paso inferior 49 2.2.4.1 Desarrollo del estudio 51 2.2.4.2 Calibración mediante la prueba de carga 54 2.2.5 Conclusiones 55
3 OBJETIVOS 56
7
3.1 General 56
3.2 Específicos 56
4 MARCO TEORICO 57
4.1 Estudios de capacidad de carga 57
4.1.1 AASHTO LRFD 57 4.1.1.1 Factores de clasificación de carga y resistencia 58
4.1.1.1.1 Diseño de capacidad de carga 58 4.1.1.1.2 Capacidad de carga legal 59 4.1.1.1.3 Capacidad de carga permitida 59 4.1.1.1.4 Cargas para su evaluación 59 4.1.1.1.5 Cargas permanentes 59
4.1.1.1.5.1 Carga muerta: DC y DW 60 4.1.1.1.5.2 Factores de carga 60
4.1.1.1.6 Cargas por transito 60 4.1.1.1.6.1 Cargas vivas por vehículos: LL 60 4.1.1.1.6.2 Aplicaciones de las cargas vivas vehiculares. 61 4.1.1.1.6.3 Carga viva peatonal: PL 61 4.1.1.1.6.4 Carga provocada por viento: WL y WS 62 4.1.1.1.6.5 Efecto por temperatura: TG y TU 62
4.1.1.1.7 Procedimientos para la obtención de la capacidad de carga 62 4.1.1.1.8 Ecuación general para la capacidad de carga 63
4.1.1.1.8.1 General 63 4.1.1.1.8.2 Estados limites 64 4.1.1.1.8.3 Factores de reducción de resistencia 65
4.1.1.2 Factores de clasificación de carga y esfuerzos admisibles 67 4.1.1.2.1 Métodos de clasificación 67
4.1.1.2.1.1 Deformaciones permitidas: AS 67 4.1.1.2.1.2 Factor de carga: LF 67
4.1.2 Eurocódigo 68
4.2 Pruebas de carga 72
4.2.1 AASHTO 72 4.2.1.1 Pruebas de carga según AASHTO 72
4.2.1.1.1 Ensayo de diagnóstico 73 4.2.1.1.2 Ensayo de Prueba 73
4.2.1.2 Mediciones en pruebas de carga 75 4.2.1.3 Condiciones en las cuales no se debe realizar la prueba de carga 76 4.2.1.4 Capacidad de carga a través de la prueba de carga 76
4.2.1.4.1 Ensayo diagnóstico de carga 76 4.2.1.4.2 Ensayo de prueba de carga 79 4.2.1.4.3 Objetivo del ensayo la prueba de carga 79
4.2.2 España 81 4.2.2.1 Dirección y realización de la prueba 81 4.2.2.2 Planteamiento de la prueba 82
4.2.2.2.1 Proyecto de la prueba 82 4.2.2.2.2 Sistema de medida 84 4.2.2.2.3 Determinación del módulo de elasticidad del hormigón 84 4.2.2.2.4 Efectos de las condiciones meteorológicas 84
8
4.2.2.2.5 Fecha de ejecución de la prueba 85 4.2.2.3 Actuaciones complementarias 85 4.2.2.4 Desarrollo de la prueba 85
4.2.2.4.1 Materialización del tren de carga 85 4.2.2.4.2 Estados de carga 86 4.2.2.4.3 Forma de aplicación de la carga 86
4.2.2.4.3.1 Escalones de carga 87 4.2.2.4.3.2 Criterio de estabilización 87 4.2.2.4.3.3 Criterio de remanencia 88
4.2.2.4.4 Pruebas de carga simplificadas 90 4.2.2.4.5 Pruebas complementarias 91
4.2.2.5 Criterios de aceptación 91 4.2.2.6 Informe de la prueba de carga 92 4.2.3 Francia 93 4.2.3.1 El objetivo de la prueba de carga 93 4.2.3.2 Pruebas de carga y mediciones físicas 94 4.2.3.3 Prueba estática de carga 94 4.2.3.4 Organización de la prueba por el director del proyecto 94 4.2.3.5 Notas de cálculo de la prueba y los análisis de los resultados 95
4.2.3.5.1 Notas de cálculo de la prueba estática 96 4.2.3.5.2 Antes de la prueba 96 4.2.3.5.3 Después de la prueba 97
4.2.3.6 Presentación de los resultados 97
5 METODOLOGIA 99
5.1 Capacidad de carga analítica 100
5.1.1 Evaluación de cargas 100 5.1.1.1 Evaluación de carga muerta DC 100 5.1.1.2 Evaluación de carga muerta DW 100 5.1.1.3 Evaluación de carga viva e impacto 100
5.1.1.3.1 Máximos efectos de carga viva 103 5.1.2 Resistencia 107 Resistencia a la flexión nominal 107
5.1.2.1.1 Cuantía mínima 108 5.1.2.1.2 Cuantía máxima 110
5.1.2.2 Resistencia nominal al corte 110 5.1.3 Factor de clasificación teórico 111
5.2 Prueba estática de carga 114
5.2.1 Elaboración del protocolo 114 5.2.1.1 Generalidades y descripción de global del puente 115 5.2.1.2 Inspección visual 115 5.2.1.3 Levantamiento geométrico y ensayos 116 5.2.1.4 Desarrollo de la prueba de carga 124
5.2.1.4.1 Cargas de diseño 124 5.2.1.4.2 Tren de carga 124
5.2.1.4.2.1 Estados de carga de la prueba estática 125 5.2.1.4.3 Procedimiento de carga y descarga 125 5.2.1.4.4 Criterio de remanencia 127 5.2.1.4.5 Valores de deformación esperados 127 5.2.1.4.6 Valores de momentos esperados 128
9
5.2.1.4.7 Sistemas de medición 128 5.2.1.4.7.1 Instrumentación 129
5.2.1.4.7.1.1 Medición de la deformación 129 5.2.1.4.7.1.2 Medición del desplazamiento 131 5.2.1.4.7.1.3 Medición del giro 135 5.2.1.4.7.1.4 Medición de la aceleración 135
5.2.1.4.8 Criterios de aceptación 136 5.2.1.5 Observaciones y comentarios 137 5.2.2 Ejecución de la prueba de carga estática. 138 5.2.2.1 Deformación obtenida (experimental) 138
5.3 Factor de clasificación ajustado 138
5.4 Estado real de la estructura 139
6 VALIDACION 140
6.1 Puente No. 1 141
6.1.1 Introducción 141 6.1.2 Inspección visual 142 6.1.2.1 Superficie de rodadura, barreras y barandas 143 6.1.2.2 Juntas de dilatación 144 6.1.2.3 Andén 145 6.1.2.4 Losa y vigas 146 6.1.2.5 Estribos, aletas y apoyos 146 6.1.2.6 Muro de contención 147 6.1.2.7 Puente 148 6.1.3 Protocolo 148 6.1.4 Resultados de la prueba de carga 148 6.1.4.1 Carga de diseño 148 6.1.4.2 Tren de carga 149
6.1.4.2.1 Tipo de carga o lastre 149 6.1.4.2.2 Estados de carga de la prueba estática 150
6.1.4.2.2.1 Estado de carga 1 – fase 1 150 6.1.4.2.2.2 Estado de carga 1 – fase 2 151
6.1.4.3 Valores de deformación esperados 152 6.1.4.4 Valores de momentos esperados 153 6.1.4.5 Valores de deformación obtenidos en la prueba estática de carga medidos con
topografía. 154 6.1.4.6 Valores de deformación obtenidos en la prueba estática de carga medidos con
telémetros 155 6.1.5 Evaluación de capacidad de carga 155 6.1.5.1 Evaluación de carga muerta 156 6.1.5.2 Evaluación de carga viva 159 6.1.5.3 Máximos efectos de carga viva 162
6.1.5.3.1 Configuración de las cargas según su norma 162 6.1.5.3.2 Momento máximo según las diferentes normas evaluadas 162 6.1.5.3.3 Cortante máximo en la distancia crítica según las diferentes normas
evaluadas 165 6.1.5.4 Resistencia a la flexión nominal 167 6.1.5.5 Cuantía mínima 169 6.1.5.6 Cuantía máxima 172
10
6.1.5.7 Resistencia nominal al corte 172 6.1.5.8 Resumen puente No. 1 174 6.1.5.9 Factor de clasificación 175
6.1.5.9.1 Estado límite resistencia 175 6.1.5.9.2 Estado límite de servicio 176
6.1.6 Estado real de la estructura 178
6.2 Puente No. 2 202
6.2.1 Introducción 202 6.2.2 Inspección visual 204 6.2.2.1 Superficie de rodadura, barreras y barandas 205 6.2.2.2 Juntas de dilatación 206 6.2.2.3 Andén 206 6.2.2.4 Losa y vigas 207 6.2.2.5 Estribos, aletas y apoyos 208 6.2.2.6 Puente 209 6.2.3 Protocolo 209 6.2.4 Resultados de la prueba de carga 209 6.2.4.1 Carga de diseño 209 6.2.4.2 Tren de Carga 210
6.2.4.2.1 Tipo de carga o lastre 210 6.2.4.2.2 Estados de carga de la prueba estática 211
6.2.4.2.2.1 Estado de carga 1 – fase 1 211 6.2.4.2.2.2 Estado de carga 1 – fase 2 212
6.2.4.3 Valores de deformación esperados 214 6.2.4.4 Valores de momentos esperados 215 6.2.4.5 Valores de deformación obtenidos con la prueba estática de carga. 215 6.2.5 Evaluación de capacidad de carga 216 6.2.5.1 Evaluación de carga muerta 217 6.2.5.2 Evaluación de carga viva 220 6.2.5.3 Máximos efectos de carga viva 223
6.2.5.3.1 Configuración de las cargas según su norma 223 6.2.5.4 Resistencia a la flexión nominal 227 6.2.5.5 Cuantía mínima 229 6.2.5.6 Cuantía máxima 232 6.2.5.7 Resistencia nominal al corte 232 6.2.5.8 Resumen puente No. 2 234 6.2.5.9 Factor de clasificación 235 6.2.6 Estado real de la estructura 238
6.3 Puente No. 3 250
6.3.1 Introducción 250 6.3.2 Inspección visual 252 6.3.2.1 Superficie de rodadura, barreras y barandas 252 6.3.2.2 Juntas de dilatación 254 6.3.2.3 Andén 255 6.3.2.4 Losa y vigas 255 6.3.2.5 Estribos, aletas y apoyos 257 6.3.2.6 Puente 257 6.3.3 Protocolo 257 6.3.4 Resultados de la prueba de carga 258 6.3.4.1 Carga de diseño 258
11
6.3.4.2 Tren de carga 258 6.3.4.2.1 Tipo de carga o lastre 258 6.3.4.2.2 Estados de carga de la prueba estática 259
6.3.4.2.2.1 Estado de carga 1 – fase 1 260 6.3.4.2.2.2 Estado de carga 1 – fase 2 261
6.3.4.3 Valores de deformación esperados 262 6.3.4.4 Valores de momentos esperados 263 6.3.4.5 Valores de deformación obtenidos con la prueba estática de carga. 264 6.3.5 Evaluación de capacidad de carga 265 6.3.5.1 Evaluación de carga muerta 265 6.3.5.2 Evaluación de carga viva 268 6.3.5.3 Máximos efectos de carga viva 271
6.3.5.3.1 Configuración de las cargas según su norma 271 6.3.5.3.2 Momento máximo según las diferentes normas evaluadas 272 6.3.5.3.3 Cortante máximo en la distancia crítica según las diferentes normas
evaluadas 273 6.3.5.4 Resistencia a la flexión nominal 276 6.3.5.5 Cuantía mínima 277 6.3.5.6 Cuantía máximo 280 6.3.5.7 Resistencia nominal al corte 281 6.3.5.8 Resumen puente No. 3 282 6.3.5.9 Factor de clasificación 283 6.3.6 Estado real de la estructura 286
7 ANALISIS DE RESULTADOS 298
7.1 Puente No. 1 298
7.2 Puente No. 2 299
7.3 Puente No. 3 300
8 CONCLUSIONES 301
9 RECOMENDACIONES Y ESTUDIOS FUTUROS 303
10 BIBLIOGRAFÍA 304
12
1 I N T R O D U C C I Ó N
Un tema fundamental para cualquier estructura es su diseño, construcción,
revisión, uso y posterior mantenimiento, para lo cual hay algunas normas e
instituciones en todo el mundo. Estas normas han venido evolucionando a la par
de las nuevas tecnologías y materiales que han surgido, de tal forma que la
certeza o efectividad que tiene es cada vez mayor. Los Estados Unidos junto con
algunos países europeos, han sido pioneros y guías para el resto del mundo en
investigaciones para la posterior actualización de estas normas, es por esto que
este trabajo de grado se centró en estos dos puntos a nivel mundial para
desarrollar la investigación que sirvió de sustento para el planteamiento de la
metodología propuesta.
Durante la investigación se emplearon los fundamentos más relevantes de la
norma Estadounidense (1) y europea (Eurocódigo), además de consultar otras
adicionales como la correspondiente en Francia (2) y España (3), las cuales se
tuvieron en cuenta para el desarrollo de la metodología. Además de consultar lo
correspondiente de las especificaciones de cada una de las regiones, se buscaron
los casos en donde se hacía de forma conjunta el análisis de capacidad de carga
con la prueba estática de carga. Se hallaron cuatro casos representativos a nivel
internacional, en donde se realizaba la prueba conjunta para la calibración del
modelo analítico, dando una mayor certeza en su análisis. A nivel nacional se
realizaron diferentes pruebas de carga y la evaluación de confiabilidad estructural
acompañada con monitoreo e instrumentación de varios puentes, tales como:
Cajamarca, Dos Quebradas, Puerto Salgar, etc. A su vez se encontró un caso de
investigación (6) , en el que se evidenciaba un déficit en las condiciones de
capacidad de carga de algunos de los puentes a nivel nacional, dado el uso que
se les daba por tráfico pesado e intercomunicación de las regiones más
importantes.
13
El lineamiento que se siguió a lo largo de la aplicación investigativa, fue el de
extraer la información más relevante de las normas propuestas que se pudieran
adaptar a la metodología, teniendo en cuenta las condiciones de las carreteras y la
historia de las especificaciones técnicas colombianas.
Se buscaron dos casos de puentes existentes en los que ya se les hubiera
realizado la prueba de carga para poder evaluarlos con la metodología propuesta.
Seguido a esto se buscó un tercero, en el que se asistió evidenciando la forma en
que se realiza una prueba de carga, comparando procesos, protocolos,
estándares, factores de relevancia durante la prueba y demás términos que se
extrajeron durante el proceso investigativo. Esto se pudo hacer gracias a la
colaboración de la empresa TECHINST S.A.S, la que facilitó la documentación de
las pruebas de carga ya realizadas. Cabe resaltar que por confidencialidad
solicitada por la Concesión que administra estos puentes, no se mencionan en el
presente trabajo su nombre ni ubicación.
La finalidad de este trabajo de grado es dejar las bases para que a corto plazo se
pueda implementar la metodología propuesta dentro de la norma de puentes en
Colombia, que es un tema importante relacionado con su conservación y
seguridad estructural. Teniendo en cuenta, que es una metodología con la que se
puede definir con mayor precisión la capacidad estructural de un puente nuevo
(por entregar) o en uso.
14
2 A N T E C E D E N T E S Y J U S T I F I C A C I O N
En algunos países del mundo, las pruebas de carga realizadas en tableros de
puentes son usadas como parámetro esencial para la evaluación de los mismos.
Estas pruebas pueden ser estáticas y dinámicas, depende de las necesidades
que se tengan para su estudio y de las condiciones de la estructura. Estas
permiten determinar deflexiones, vibraciones y otros factores relacionados con la
estructura del puente.
En la actualidad se utiliza la capacidad de carga teórica y la prueba de carga
estática, como prerrequisitos para la entrega de estructuras nuevas, y la
evaluación de otras que se encuentran en uso. Sin embargo, dicha metodología
no permite conocer la capacidad de carga real del puente pues solo se queda en
determinar el valor teórico de éste mediante procedimientos analíticos y
estadísticos.
En Colombia no se conocen casos de evaluaciones de capacidad de carga de
tableros de puentes apoyados o complementadas con pruebas de carga estática.
Generalmente se han hecho en la mayoría de puentes en Colombia evaluaciones
de capacidad de carga analítica y con lo cual se ha tomado la decisión de su
mantenimiento o rehabilitación. Sin embargo, este tipo de evaluación teórica no
tiene el 100% de confiabilidad, ya que hay factores o aspectos con esta
metodología que no se logran identificar, tales como su comportamiento como
estructura, los aportes de los elementos secundarios, las posibles deficiencias de
las conexiones, las rehabilitaciones o refuerzos ya realizados, entre otras. Si estos
estudios, se complementarán con pruebas de carga estática, es decir se
combinaran, podrían tener una mayor confiabilidad en la obtención de resultados
y una menor incertidumbre en algunos factores, también confirmar los resultados
analíticos. Esto es lo que se propone aplicar en el presente trabajo de grado.
15
A continuación se plasman algunos casos reales en donde se aplicó la prueba de
carga estática, la cual fue usada en algunos casos para la calibración del modelo
analítico y en otros para conocer su capacidad de carga.
2 . 1 A N T E C E D E N T E S I N T E R N A C I O N A L E S
A continuación se presentan cuatro casos reales en los que se ejecutó una prueba
de carga estática, sin embargo no se combinó con la evaluación de capacidad de
carga analítica para evaluar la capacidad de carga real de la estructura, sino para
diversos análisis, como por ejemplo: calibración del modelo estructural,
verificación de la capacidad para soportar nuevas solicitaciones, entre otros.
2.1.1 Puente de viga y losa en concreto presforzado sobre el arroyo
“Hannacrois”.
De acuerdo con (7), este puente fue construido en el año 1961, el cual consta de
cinco vigas “T” post-tensadas. (Ver Figura Nº 2-3). Dicha estructura es de una
sola luz, dos carriles (Ver Figura Nº 2-1 y Figura Nº 2-2) y cuenta con una tránsito
promedio diario de 650 vehículos. En el año 1970 las vigas de la estructura fueron
post-tensadas con una fuerza de 12 toneladas.
En el año 2004, el Condado presionado por la demanda del público para transitar
autobuses escolares sobre el puente hizo saber al Departamento de Transporte
del Estado de Nueva York (NYSDOT) sobre la forma en la cual ellos responderían
al público a la inminente demanda. El Condado acepto realizar un plan para
desarrollar una prueba estática de carga propuesta por la Oficina de Desarrollo de
Investigación del Transporte (TR & DB). El plan se basaba en la investigación de
la conducta real de la estructura bajo una carga controlada y proporcionada. El
puente fue instrumentado y la carga medida usando camiones de pesos y
configuraciones conocidas. Previo a la realización de la prueba de carga, se
realizó un levantamiento geométrico y topográfico del puente, debido a que no
existía ninguna memoria de cálculo o algún plano de referencia, para luego
obtener la capacidad de carga analítica mediante la norma AASHTO del año 1961,
16
vigente para la fecha de construcción. El análisis se basó, en la suposición de que
la estructura fue diseñada para cumplir con los requisitos exigidos. El objetivo de
este análisis fue : 1) Identificar los parámetros de diseño de las vigas, 2) Estimar el
momento último y de agrietamiento, 3) Determinar la carga máxima que se puede
aplicar de forma segura en la prueba de carga, 4) Estimar los esfuerzos que la
carga provocaría en la estructura.
Figura Nº 2-1. Vista de Perfil del Puente sobre el arroyo “Hannacrois”. Fuente: (7)
2.1.1.1 Capacidad de carga analítica
Debido a la falta de información del puente, memorias de cálculo y planos, no se
tenía registro sobre los esfuerzos aplicados para la correspondiente post-tensión
de sus vigas, por lo que se realizó un análisis preliminar de la capacidad de las
vigas empleando la normativa vigente durante la construcción de la estructura.
17
Figura Nº 2-2. Vista Frontal del Puente sobre el arroyo. Fuente: "Hannacrois" (7)
Figura Nº 2-3. Vista Inferior del Puente sobre arroyo "Hannacrois". Fuente: (7)
Una vez realizado los levantamientos, geométrico y topográfico, se utilizó el
software ANSYS que analiza y modela con elementos finitos para determinar las
propiedades de las vigas (Ver Figura Nº 2-4) para así, evaluar la capacidad de
carga de cada viga.
18
Figura Nº 2-4. Propiedades de las vigas. Fuente: (7)
Modelada la viga en el software especializado, se calculó el momento generado
debido a la carga muerta (D) utilizando el peso de la viga, capa de rodadura y
demás elementos no estructurales tales como bordillos y barandas. El momento
generado por la carga viva (L) se calculó asumiendo que el puente fue diseñado
para el paso del vehículo AASHTO HS-20 o H-20 utilizando un factor de
distribución de S/5, donde S es el espaciamiento de las vigas (1.34 metros) y un
factor de impacto de 1.26.
Debido a que no se conocía al detalle la propiedad de los materiales, se realizaron
ciertas suposiciones en el análisis tales como la resistencia a la compresión a los
28 días, el módulo de elasticidad, entre otras.
Empleando la normativa vigente al momento de la construcción de la estructura,
AASHTO-1961, se determinó el pre-esfuerzo, excentricidad, área de acero,
momentos y la deflexión esperada en la prueba de carga empleando diferentes
combinaciones de carga. Debido a la incertidumbre sobre el camión de diseño
utilizado para el análisis previo a la construcción del puente, se obtuvo la
19
capacidad de carga analítica con cada vehículo propuesto en la normativa. Estos
datos se pueden apreciar en la Tabla 2-1 presentada a continuación.
Tabla 2-1. Capacidad de carga analítica del Puente sobre el arroyo “Hannacrois”. Fuente: (7)
2.1.1.2 Instrumentación
Se procedió a coordinar y elaborar un protocolo para la ejecución de la prueba
estática de carga, el cual incluía en uno de sus capítulos la instrumentación
requerida.
El puente fue instrumentado en varios puntos (Ver Figura Nº 2-5) con el fin de
determinar:
Deflexión de las vigas exteriores (Viga 1 y 5) y una interior. (Viga 3)
Nivel de fijación en los extremos de todas las vigas.
Localización del eje neutro para las dos vigas exteriores y una interior.
Únicamente se emplearon medidores de deflexión tipo BDI debido a problemas
logísticos que imposibilitaban la instrumentación por medio de medidores de
deflexión LVDT. No obstante, se esperó a que el rio se congelara para
instrumentar el puente desde la superficie del hielo. (Ver Figura Nº 2-6).
20
Figura Nº 2-5. Plan de Instrumentación original que incluía sensores LVDT. Fuente: (7)
Figura Nº 2-6. Instrumentación del puente sobre el arroyo "Hannacrois". Fuente: (7)
2.1.1.3 Prueba de carga
Previo a la prueba de carga, los vehículos fueron pesados y medidos con el fin de
implementar la misma carga con la cual se determinó la capacidad de carga
analítica. Se emplearon dos camiones en la prueba de carga, uno con un peso de
12 Toneladas y otro de 15 Toneladas. No obstante, el vehículo de menor peso fue
21
cargado con 3 Toneladas más para realizar la segunda fase de carga. Cada
camión de 15 Toneladas se aproximaba a las características del camión AASHTO
H-15.
La prueba de carga tuvo 4 fases, las cuales fueron analizadas empleando la
normativa que regía durante la construcción de la estructura. El puente fue
sometido a aumentos graduales de carga, ocasionados por el cambio de posición
de los camiones (Ver Figura Nº 2-7), mientras que se continuaba monitoreando la
deflexión mediante los medidores BDI.
Figura Nº 2-7. Camión en la línea de una Viga. Fuente: (7)
2.1.1.4 Resultados
Después de realizada la prueba de carga se determinó que las vigas externas,
son responsables de resistir más del 40% de la carga cuando las llantas de
camión coinciden directamente con el eje de las vigas, tal y como se aprecia en la
Figura Nº 2-7.
Los resultados obtenidos en la fase 2 comprobaron que si se aplica la carga de 15
Toneladas, se produce un momento máximo de 61.7 Ton-m en las vigas
22
exteriores, magnitud inferior al hallado en la capacidad de carga analítica que
provoca la ruptura de la viga, correspondiente a 78.6 Ton-m.
A pesar de los apoyos de las vigas 1, 2, 4 y 5 mostraron una claro deterioro, aún
pueden transmitir las cargas de manera eficiente. No obstante, por la ejecución de
la prueba de carga, se lograron determinar deficiencias en el proceso constructivo,
pues los apoyos fijos de las vigas previamente enunciadas cuentan con una
fijación de 90% en el Sur y un 76% en el Norte del puente.
Finalmente se comprobó que un bus escolar de 15-Ton no presentaba ningún
inconveniente para el puente.
2.1.2 Evaluación de la capacidad de carga del puente atirantado, Antonio
Dovalí Jaime.
Este puente también conocido como Coatzacoalcos II, es el primer puente
atirantado construido en México. Tiene una longitud total de 1.170 metros, con un
claro principal de 288 metros. (8).
Con el fin de evaluar el estado actual de la estructura se emplearon diversas
pruebas no destructivas tales como la medición de esfuerzos y deformaciones
bajo cargas vehiculares conocidas y la medición de vibraciones bajo excitación
ambiental.
Se usaron los resultados de las pruebas de carga para comprobar y calibrar el
modelo de elementos finitos realizado por medio de un software especial. Éstos
sirvieron para evaluar el estado actual de la estructura y posteriormente realizar su
dictamen final.
El puente Antonio Dovalí Jaime, es uno de los más importantes puentes
atirantados de México (Ver Figura Nº 2-8). Como todas las estructuras de esta
tipología, el Coatzacoalcos II es una estructura muy flexible, lo que lo hace
susceptible a vibraciones. Luego de 25 años de servicio, se consideró necesario
23
realizar pruebas de carga estáticas y dinámicas con el fin de evaluar su
comportamiento y estado a la fecha de estudio.
La capacidad de carga analítica complementada con las pruebas de carga
permitió evaluar su capacidad real de carga y operación.
Figura Nº 2-8. Puente Antonio Dovalí Jaime. (8)
2.1.2.1 Descripción General del Puente
El puente Antonio Dovalí Jaime se encuentra al sureste de México y cruza el río
Coatzacoalcos, de allí su seudónimo. Fue inaugurado el 7 de Junio de 1984 por lo
que las pruebas de carga se realizaron en el año 2009. Es pieza fundamental de la
autopista que une el centro con el sureste de México. Todas sus pilas y pilones
son de concreto reforzado con sección transversal tipo cajón rectangular. El
tablero del puente atirantado consiste en un cajón de concreto pre-esforzado con
peralte constante de 3.30 mts. La estructura principal se construyó mediante la
técnica de doble voladizo a partir de las pilas (Ver Figura Nº 2-9). (8)
24
Figura Nº 2-9. Puente Antonio Dovalí Jaime durante su construcción. Fuente: (8)
2.1.2.2 Pruebas estáticas de carga
Para comprobar la respuesta de la estructura en diferentes puntos del puente
principal se realizaron tres pruebas de estáticas de carga. Para cada una de ellas
de midió la deformación en 18 puntos estratégicos del puente (Ver Figura Nº
2-10). Los vehículos empleados fueron ocho camiones de tres ejes cargas
(“góndolas”), con un peso total de 30 toneladas cada uno.
Figura Nº 2-10. Puntos de medición, Puente Antonio Dovalí Jaime. Fuente: (8)
La prueba número 1, tenía como objeto maximizar las solicitaciones en uno de los
pilones del puente. La 2 buscó evaluar las deformaciones en el claro principal del
25
puente, y por último, la tercera, determinaba las solicitaciones críticas en los
“claros de borde” del puente principal. (Ver Figura Nº 2-11)
Figura Nº 2-11. Configuraciones de las pruebas en el puente Antonio Dovalí Jaime. Fuente: (8)
Todas las medidas fueron tomadas con “estación total” topográfica, con la cual en
primera instancia se determinó la condición de peso propio. Posteriormente se
midió en los puntos estratégicos (Ver Figura Nº 2-10) las deflexiones de cada una
de las 3 pruebas estáticas de carga (Ver Figura Nº 2-11). Finalmente se halló la
medición correspondiente al puente sin carga, con el fin de comparar los
resultados iniciales y finales para lograr realizar un dictamen preciso.
2.1.2.3 Resultados
La deformación vertical máxima medida fue de 6.5 cm, correspondiente a la zona
media de la luz central durante la segunda prueba estática de carga (Ver Figura Nº
2-12). Esta flecha corresponde aproximadamente al 48% de la medición estimada
por cálculos matemáticos por elementos finitos (MEF). Cabe resaltar que el puente
no registró deformaciones residuales, ya que después de implementar la carga la
estructura regresó a su posición inicial.
26
Figura Nº 2-12. Flechas verticales durante la prueba de carga No. 2, Puente Antonio Dovalí Jaime.
Fuente: (8)
2.1.2.4 Modelo de elementos finitos y su correlación con los resultados obtenidos
Se realizó un modelo estructural mediante el programa SAP2000 (Ver Figura Nº
2-13), basado en planos originales de construcción y en los resultados obtenidos
de una inspección visual realizada en el año 2006. Éste último contempló un
levantamiento geométrico detallado del puente, extracción de núcleos de concreto
y evaluación del módulo de elasticidad y resistencia a la compresión del material.
Sin embargo algunos parámetros tales como la densidad de los materiales fueron
tomados basados en construcciones típicas.
La respuesta analítica del puente fue calculada con el modelo estructural bajo el
supuesto de un comportamiento lineal, razón que se justifica dado la magnitud de
las cargas aplicadas sobre el puente.
Debido a la desviación de los datos teóricos con los experimentales, fue necesario
una verificación y posterior actualización del modelo estructural (Ver Figura Nº
2-12). Ya que las variaciones en los parámetros previamente expuestos no fueron
suficientes para aproximar aún más el modelo a los resultados de la prueba de
carga, se necesitó realizar una mayor investigación sobre las características reales
27
del puente. Es así como se encontró que los cables de atirantamiento fueron
protegidos contra la corrosión mediante una funda de acero, y que adicionalmente
se inyectó un Grout de cemento. Esto se realizó debido a que los diseñadores del
puente organizaron la construcción del tablero de tal forma que se garantizara una
compresión permanente del mortero inyectado. Es así como el comportamiento
estructural del cable cambió completamente. Haciendo que la rigidez fuese mayor
a la considerada y por consiguiente la deflexión teórica se redujera.
Figura Nº 2-13. Modelo estructural del puente Antonio Dovalí Jaime. Fuente: (8)
Figura Nº 2-14. Deflexión vertical calibrada del puente Antonio Dovalí Jaime. Fuente: (8)
28
2.1.2.5 Conclusiones
Los momentos en el tablero principal del puente debido a la carga viva
presentan una reducción del 10% debido al aumento de rigidez de los
cables.
Las fuerzas sísmicas calculadas en el modelo ajustado son 15% mayores
con respecto al primer modelo estructural.
El estado y capacidad de carga del puente son satisfactorias.
Se visualizó la importancia del uso de la prueba de carga para mejorar la
confiabilidad en los resultados.
2.1.3 The Ida County bridge (Puente de viga y losa de sección mixta en el
condado de Ida, Iowa)
El puente del condado de Ida construido en el año 1949, es una estructura cuyo
tablero es de concreto reforzado con dos carriles y tres luces. Presenta vigas en
acero, por lo que probablemente el mayor problema que pudo haber en la
ejecución de este puente, fue lograr sección compuesta. (Ver Figura Nº 2-15). (4).
Figura Nº 2-15. Puente del condado de Ida, Iowa. Fuente: (4)
29
2.1.3.1 Preliminares
Se obtuvo la información base del puente incluyendo los Planos “As Built”,
fotografías, informes de inspecciones realizadas previamente además de sus
características geométricas. Adicionalmente, la información relacionada de
cualquier sección crítica de la estructura fue suministrada por el departamento de
transporte del estado de Iowa (Iowa DOT Rating Engineer).
Una vez obtenido lo necesario para determinar la capacidad de carga analítica, se
optó por crear un plan de instrumentación para el puente, con el fin de recolectar
la mayor información posible durante la prueba estática de carga.
Así como el puente sobre el arroyo de “Hannacrois” (Ver numeral 2.1.1), se
emplearon medidores de deflexión tipo BDI.
2.1.3.2 Instrumentación
La instrumentación fue desarrollada con base en reportes emitidos por el ente
controlador (Oficina de Puentes y Estructuras) y en la información recolectada
para crear y calibrar el modelo estructural del puente.
Basados en estos criterios, se instalaron los medidores BDI en la parte superior e
inferior de cada una de las vigas. (Ver Figura Nº 2-16 y Figura Nº 2-17)
Figura Nº 2-16. Puente del condado de Ida, localización medidores BDI. Fuente: (4)
30
Figura Nº 2-17. Puente del condado de Ida, Medidores BDI. Fuente: (4)
2.1.3.3 Carga Estática
El vehículo empleado para la realización de la prueba de carga es una “Volqueta
Doble Troque” (Ver Figura Nº 2-18), cuyo peso y dimensiones fueron
determinados para la prueba estática de carga. (Ver Figura Nº 2-19).
Figura Nº 2-18. Vehículo para prueba estática de carga en el puente del condado de Ida. Fuente: (4)
31
Figura Nº 2-19. Configuración y peso del vehículo para la prueba de carga en el puente del condado de
Ida. Fuente: (4)
2.1.3.4 Prueba estática de Carga
La distribución correspondiente a los tres estados de carga (Ver Figura Nº 2-20),
fueron escogidos de tal forma que generen las mayores solicitaciones posibles en
la estructura, y así poder comprobar y examinar en su totalidad, la forma en la cual
el puente responde a este tipo de cargas.
Figura Nº 2-20. Posición de la volqueta en cada estado de carga en el puente del condado de Ida.
Fuente: (4)
32
Para el primer estado de carga la rueda izquierda de la volqueta tuvo un
distanciamiento de 0.6 metros. El segundo estado de cargo consiste en
implementar la carga de tal forma de que el centro del vehículo concuerde con la
línea central del puente. El tercer y final estado de carga es exactamente igual al
primero, con la diferencia que esta vez la rueda derecha será la que este
distanciada 0.6 metros de la viga externa derecha (G4).
Para que los efectos dinámicos sean despreciables en la estructura, los vehículos
tuvieron que desplazarse a menos de 5 mph (8 km/h).
2.1.3.5 Resultados de la prueba de carga
En la Figura Nº 2-21, se puede observar la deflexión del puente con respecto a
dos pruebas estáticas de carga en la fase número dos. La comparación de los dos
datos registrados indica una buena reproducción de los resultados, lo que genera
una mayor confiabilidad.
Figura Nº 2-21. Resultado prueba de carga fase dos en el puente del condado de Ida. Fuente: (4)
33
Los resultados de la prueba de carga para cada estado, muestra que los factores
de distribución hallados experimentalmente son considerablemente menores a los
calculados (aproximadamente un 20%) usando las especificaciones del año 1996
de la AASHTO (American Association of State Highway and Transportation
Officials).
El modelo estructural original se calibro realizando el proceso iterativo de optimizar
el material y la rigidez del puente, con el fin de que el modelo muestre resultados
“compatibles” con los ya obtenidos en la prueba estática de carga.
Para ésta calibración se usó el software especializado, “WinGen modeling”. Un
modelo en dos dimensiones fue creado y configurado con todas las propiedades
reales del puente. Tales como el módulo de elasticidad, momento de inercia,
resistencia a la compresión, densidad, etc.
2.1.3.6 Resultados del modelo calibrado
Como conclusión del modelo calibrado, finalmente produjo una correlación de
0.9631 y aproximadamente 8.5% de error con respecto a los resultados obtenidos
de las pruebas estáticas de carga. (Ver Figura Nº 2-22 y Figura Nº 2-23).
34
Figura Nº 2-22. Comparación de los resultados del modelo calibrado con la Prueba estática en el
puente del condado de Ida. Fuente: (4).
Figura Nº 2-23. Comparación del modelo estructural calibrado y la Prueba estática de carga en el
puente del condado de Ida. Fuente: (4).
35
2.1.3.7 Conclusiones
Los resultados indican que el puente cuenta con un nivel de operación
satisfactorio (RF>1.0). Este parámetro se determinó luego de que el modelo se
calibrará con ayuda de los resultados de la prueba estática de carga. Resultados
que sirvieron para modelar y/o simular las características reales del puente.
2.1.4 Sioux County bridge (Puente de viga y losa de sección mixta en el
condado de Sioux, Iowa)
De acuerdo con (5), el puente del condado de Sioux construido en el año 1939, es
una estructura cuyo tablero es de concreto reforzado con dos carriles y tres luces.
Cuenta con 6 vigas de acero y un ancho de vía de 9.2 metros (Ver Figura Nº
2-24). La estructura fue ampliada en el año 1970, pues originalmente fue
construida con 4 vigas de acero y ancho de vía de 6.1 metros. Actualmente, la
estructura no cuenta con algún tipo de restricción de carga.
Figura Nº 2-24. Puente del condado de Sioux. Fuente: (5).
36
2.1.4.1 Preliminares
Se obtuvo la información preliminar del puente incluyendo los Planos “As Built”,
fotografías, informes de inspecciones realizadas previamente además de sus
características geométricas. Adicionalmente, la información relacionada de
cualquier sección crítica del puente fue suministrada por el departamento de
transporte del estado de Iowa (Iowa DOT Rating Engineer).
Se optó por crear un protocolo para la instrumentación del puente, con el fin de
recolectar la mayor información posible durante la prueba estática de carga. Se
emplearon medidores de deflexión tipo BDI, producidos por “Bridge Diagnostics,
Inc.”. La información recolectada con el uso de los medidores, fue usada en la
creación y calibración del modelo estructural. Éste último, se usó para realizar el
cálculo de los factores de operación del puente y de esta forma tener un
diagnóstico real de la estructura.
2.1.4.2 Instrumentación
Utilizando los mismos criterios del puente del condado de Ida para elaborar el plan
de instrumentación (Ver numeral 2.1.3), se instalaron los medidores tanto en la
aleta superior como inferior del perfil de acero de cada una de las vigas. (Ver
Figura Nº 2-25). Además, se realizó un plano de la ubicación exacta de los
medidores (Ver Figura Nº 2-26), con el fin de determinar con la mayor exactitud
posible, la respuesta de la estructura frente a la carga estática aplicada.
37
Figura Nº 2-25. Medidores BDI en el puente del condado de Sioux. Fuente: (5)
Figura Nº 2-26. Vista transversal de los medidores BDI en el puente del condado de Sioux. Fuente: (5)
2.1.4.3 Carga estática
Se usó un vehículo tipo “Doble Troque” (Ver Figura Nº 2-27), cuyo peso y
dimensiones fueron determinados para la prueba estática de carga. El peso total
de la volqueta fue de 44.400 lb, distribuidos en el eje delantero, medio y trasero
con 18.820 lb 12.790 lb y 12.790 lb respectivamente. (Ver Figura Nº 2-28).
38
Figura Nº 2-27. Volqueta para la prueba en el puente del condado de Sioux. Fuente: (5)
Figura Nº 2-28. Configuración de la volqueta para la prueba en el puente del condado de Sioux.
Fuente: (5).
2.1.4.4 Prueba de carga
La volqueta doble troque se instaurará en el puente en cinco posiciones diferentes
(Ver Figura Nº 2-29), de tal forma que se pruebe el comportamiento real de cada
una de las vigas de acero. Cabe resaltar que en este tipo de estructuras, donde
las vigas son de un material diferente al tablero, se presentan problemas al
comportarse la estructura como un todo. El proceso constructivo puede ser lo
suficientemente deficiente, como para que no se forme sección compuesta.
39
Figura Nº 2-29. Posición de la volqueta para cada prueba estática en el puente del condado de Sioux.
Fuente: (5).
Para despreciar cualquier tipo de efecto dinámico sobre la estructura, se tuvo que
controlar la velocidad de ingreso de las volquetas a la estructura. El límite se
estableció en 5mph (8 km/h).
2.1.4.5 Resultados de la prueba de carga
Cada prueba o etapa se realizó dos veces, con el fin de comprobar la buena
reproducción de los datos. La Figura Nº 2-30 refleja los resultados de la prueba
de carga para la viga G4. Como se puede observar, la respuesta del puente fue
excelente. La recuperación de la estructura demuestra un buen comportamiento
elástico, lo que indica que no hay deformaciones permanentes o que exista algún
tipo de remanencia perjudicial para la estructura. La respuesta de cada viga fue
similar a la G4.
Como era de esperarse, la mayor solicitación por parte de la estructura, se produjo
en el centro de la luz del claro medio del puente.
40
Figura Nº 2-30. Resultado de la prueba de carga no. 3 en el puente del condado de Sioux. Fuente: (5).
Al compararse los resultados obtenidos de las pruebas de carga con la capacidad
de carga analítica, hallada con la normativa vigente al momento de la construcción
de la estructura, AASHTO 1996, se determinó que los resultados fueron menores
a los teóricos calculados. Debido a esto, se tuvo que calibrar el modelo estructural
creado mediante el software “WindGen modeling”. (Ver Figura Nº 2-31).
El proceso iterativo realizado por el algoritmo de WindGen, optimiza el material y
la rigidez del puente, hasta llegar al punto en que los resultados tengan un 10% de
error con respecto a los obtenidos experimentalmente.
Figura Nº 2-31. Modelo estructural, puente del condado de Sioux. Fuente: (5)
2.1.4.6 Resultados del modelo calibrado
Se obtuvo una correlación de 0.9762, aproximadamente el 4.7% de error con
respecto a los valores teóricos, lo que se considera un excelente resultado para
una estructura compuesta de diversos materiales. (Ver Figura Nº 2-32). Es el
41
caso de las vigas (acero) y el tablero (Concreto reforzado). Como se explicó
previamente, el proceso constructivo que haya tenido la estructura pudo haber
influido en la discrepancia entre el valor teórico y el experimental.
Figura Nº 2-32. Resultados del modelo calibrado en el puente del condado de Sioux. Fuente: (5).
2.1.4.7 Conclusiones
Los resultados indican que el puente cuenta con un nivel de operación
satisfactorio (RF>1.0). Adicionalmente, se obtuvo como resultado la forma típica
en la cual, un puente de 3 luces continuas, responde a la implementación de
cargas móviles o estáticas.
El modelo realizado siguiendo los parámetros de la AASHTO 1996 se calibró con
los resultados obtenidos de la prueba estática carga. Este modelo refleja con un
mayor grado de precisión, las características reales y la forma en la cual responde
la estructura a las cargas impuestas.
Sin la prueba estática de carga, resulta imposible saber el estado actual del
puente. Esto incluye: proceso constructivo, calidad y desgaste de los materiales,
degeneración por el paso de los años, vida útil restante, etc.
42
2 . 2 A n t e c e d e n t e s n a c i o n a l e s
2.2.1 Capacidad de carga de 400 puentes de viga y losa de concreto
reforzado y preesforzado en Colombia
Según el estudio ejecutado por el INVIAS en el año 1988 (Ver (6)), que consistió
en la evaluación de la capacidad de carga de 400 puentes de viga y losa (sin
pruebas de carga), se determinó el nivel de servicio. Se clasificaron según el
porcentaje de uso para así determinar cuáles eran los más transitados y conocer
las características de los vehículos que comúnmente pasaban sobre ellos. En el
transcurso del estudio, se tomaron diferentes datos mediante información
proporcionada por el INVIAS y empresas privadas, que permitían caracterizar
desde el punto de vista geométrico, todos y cada uno de los componentes de la
estructura. Además de la información dada, se programaron visitas a los puentes
para identificar su estado (De acuerdo con la metodología de SIPUCOL- Sistema
de Administración de Puentes de Colombia), levantamiento estructural y
propiedades mecánicas.
Para determinar la capacidad de carga se usó la metodología propuesta por
SIPUCOL, basada en la combinación de las metodologías establecidas en las
normas estadounidense (AASHTO) y colombiana (CCDSP). Cabe resaltar que se
usaron los factores de mayoración y reducción de resistencia establecidos por el
CCDSP y no los propuestos por la AASHTO. Según (6), esta metodología de
revisión se fundamentó en el estudio de las variables de resistencia y
solicitaciones desde el punto de vista determinístico y utilizo las especificaciones
de diseño y de carga viva (camión C40-95) del CCDSP.
Evaluados cada uno de los puentes, se determinó que el 73 % no poseía la
capacidad de carga necesaria para su uso. Debido a esto, el Instituto Nacional de
Vías (INVIAS) decidió solucionar parcialmente el problema mediante la restricción
de algunos vehículos de tipo pesado y realizar reforzamiento estructural al 46% de
los puentes intervenidos.
43
2.2.2 Puente de cercha metálica de paso inferior en Puerto Salgar
La investigación realizada por (9) consta de diferentes procesos entre los que
resaltan, levantamiento geométrico, ensayos mecánicos, conteo del tráfico, prueba
de carga, calibración de modelo estructural, instrumentación, monitoreo y
simulación numérica para evaluar por confiabilidad estructural los puentes de
acero.
Figura Nº 2-33 Flujograma de las etapas del proyecto, Fuente: (9)
Según (9), la prueba de carga se realizó de la siguiente manera: “Se contrataron
cuatro volquetas a las cuales se les realizó el pesaje vacío y cargadas mediante el
uso del equipo y de la báscula de la zona. Además se les realizó a las volquetas la
medición de su geometría detallada (distancia entre ejes, peso entre ejes, etc.).
Las volquetas empleadas fueron cargadas con el material más denso encontrado
en la zona para que produjeran el mayor efecto en la estructura y se pudieran
identificar con la topografía. El objeto de la prueba era la calibración del modelo
estructural de la nave del puente Puerto Salgar bajo tres condiciones de frontera:
la posición e intensidad de cargas, la deformación vertical que generan en las
diferentes posiciones mediante las mediciones de topografía y la medición de los
44
deltas de voltaje con las galgas. Para tal fin se diseñaron y probaron en campo
tres hipótesis para la prueba de carga (Ver Figura Nº 2-34). Inicialmente se probó
el puente sin cargas con el objeto de evaluar el nivel cero. Mediante equipos de
topografía se tomó la deformación vertical en los once puntos del cordón inferior
de la armadura aguas arriba para cada una de las hipótesis de carga mostradas.”
Figura Nº 2-34 Condiciones de carga. Fuente: (9)
Después de obtenidos los resultados de la prueba de carga, se realizó el análisis
con el modelo estructural. Para lo anterior se hizo una calibración del mismo
basándose en los resultados obtenidos de la prueba estática, para así mejorar el
análisis con técnicas de confiabilidad estructural sobre el puente mediante
simulaciones numéricas. Se realizaron dos modelos estructurales para la
correspondiente calibración en los programas especializados SAP-2000 y ANSYS.
Con estos, se logró obtener una aproximación realista del comportamiento de la
estructura frente las cargas que transitan sobre ella para así monitorear la
respuesta de cada uno de sus elementos.
Basados en la calibración del modelo estructural a través de la prueba de carga,
se logró mayor precisión en la evaluación por confiabilidad estructural el puente,
ya que una de las evaluaciones de las solicitaciones consistieron en simulaciones
numéricas del tráfico (Método de Montecarlo) y los efectos en los elementos
principales de las armaduras.
45
2.2.3 Viaducto atirantado, Cesar Gaviria Trujillo
Este estudio fue realizado mediante un convenio entre el Instituto Nacional de Vías
(INVIAS) y la Pontificia Universidad Javeriana (PUJ), el cual tenía como finalidad
analizar la capacidad de carga y vulnerabilidad sísmica del viaducto, empleando
técnicas de confiabilidad estructural (Ver (10)). En él se incluyeron labores tales
como: ensayos geofísicos, ensayos de las propiedades mecánicas de materiales,
vibraciones ambiéntales, medición de los efectos de la cargas vehiculares,
instrumentación inalámbrica, pruebas de carga, medición de tensiones de tirantes,
etc.
Este viaducto es una estructura atirantada mediante la cual se comunican dos
ciudades del departamento de Risaralda, Pereira y Dosquebradas, sobrepasando
el Rio Otún. En la investigación del autor (10), se expresa lo siguiente: “el tablero
de este puente tiene un ancho total de 26.80 metros (incluyendo voladizos) y
cuatro (4) carriles cada uno de 3.50 metros. Tiene una longitud total de 440
metros, con dos (2) tramos extremos de 31.3 metros, dos vanos laterales de 83.25
metros y una luz central de 210.9 metros. Dicho tablero es atirantado y compuesto
de vigas de acero (armadas) longitudinales y transversales (espaciadas cada 3.7
metros) y una losa de concreto reforzado de 25 cm de espesor con conectores de
cortante. El puente está compuesto por dos (2) pilones de concreto reforzado, los
cuales tienen una cimentación profunda con pilotes hasta 30 metros de
profundidad. El pilón de Pereira es de una altura de 96.77 metros y el de
Dosquebradas de 107.97 metros. Son de sección cajón variable y con una viga
transversal pos-tensada”. (Ver Figura Nº 2-35).
2.2.3.1 Ensayos a los materiales del puente
En la Tabla 2-1 se exponen las características de los materiales de las secciones
del puente, basado en su proceso constructivo. Durante este proceso hubo
controles de calidad para asegurar que estos contaban con las características
especificadas en los planos “as built” y/o memorias de cálculo. Además, durante la
investigación se realizaron ensayos mecánicos al acero para determinar sus
46
características, encontrando que era tipo A-50 con un esfuerzo promedio de
fluencia de 383 MPa (Ver Tabla 2-2).
Figura Nº 2-35 Esquema longitudinal del viaducto. Fuente: (10)
Tabla 2-1 Materiales del viaducto. Fuente: (10)
47
Tabla 2-2 Resultados de los ensayos mecánicos en el acero. Fuente: (10)
2.2.3.2 Desarrollo y calibración del modelo estructural
Para este proyecto se hicieron dos modelos los cuales fueron posteriormente
calibrados mediante implementación de la prueba de carga y el estudio de
vibraciones ambientales. También cabe resaltar que para la modelación se
tuvieron en cuenta ciertos procesos constructivos como fue la presencia constante
de carga axial en los pilones durante la construcción secuencial, que para la
obtención de los resultados finales proporcionaría una mayor confiablidad.
Para la calibración del modelo estructural basado en la prueba estática de carga
se usaron 8 volquetas y 4 fases de carga (Ver Figura Nº 2-36).
Figura Nº 2-36 Fases de carga. Fuente: (10)
Los autores de la referencia (10), expresan lo siguiente: “Con la información de la
prueba de carga se modificaron los parámetros de resistencia en el modelo, para
48
la resistencia y módulo de elasticidad del concreto tanto de pilones como de la
placa longitudinal, así como los valores de fy para el acero estructural, algunas
condiciones de apoyo de la placa con los pilones, hasta obtener valores
aceptables en el proceso de calibración (Ver Tabla 2-3).”
Tabla 2-3 Porcentajes de error. Fuente: (10)
Previo a la colocación de las volquetas se realizó una medición de la condición
inicial o cero con instrumentos de topografía especializados. Se encontraron
ondulaciones en cada vano y una deformación en el vano central de
aproximadamente 24 cm. Para poder estipular si estas ondulaciones y
deformaciones eran propias de la estructura, se hizo una comparación con los
registros de la interventoría, dando como resultado una diferencia de 10 cm
(Figura Nº 2-37). Esto según el informe (Ver (10)) está dado por “efectos de la
carga viva más el impacto, cargas colocadas no previstas (barandas anti -
suicidio), relajación de los tirantes, temperatura, entre otros”.
49
Figura Nº 2-37 Comparación de los perfiles del puente. Fuente: (10)
2.2.3.3 Conclusiones
Gracias a la calibración del modelo estructural, los resultados obtenidos fueron
más reales frente a los que se hubieran podido obtener analíticamente, además,
fueron fundamentales para el conocimiento real de la estructura. Se encontró que
aproximadamente el 40 % de los tirantes tenían mayores niveles de tensiones a
las permitidas, evidenciando que no se cumplía los requisitos mínimos de
seguridad relacionados con los estados de resistencia y fatiga. Este y otros
resultados más fueron determinantes para el INVIAS y la empresa constructora
pues sirvieron de información para la rehabilitación, actualización, y diagnóstico de
dicho viaducto.
2.2.4 Puente Cajamarca de sección mixta de paso inferior
El puente Cajamarca fue evaluado mediante las técnicas de confiabilidad
estructural, instrumentación y monitoreo, con el fin preciso de conocer el estudio
50
de vulnerabilidad de la estructura. Este estudio fue realizado por la academia, el
Estado y empresas de ingeniería (11). El puente de Cajamarca fue construido
entre los años de 1957 y 1959, consta de superestructura continua de tres luces
con una longitud total de 283 metros. Está compuesto por dos armaduras de acero
de paso inferior y un tablero de sección mixta con losa en concreto reforzado con
un ancho total de 9,68 metros (Ver Figura Nº 2-38), juntas de dilatación, dos
andenes y barandas en acero. La losa en concreto reforzado se apoya en cuatro
vigas de acero longitudinales, las cuales transmiten su carga a vigas transversales
de acero y estas se apoyan en los nudos del cordón superior de las armaduras de
acero de paso inferior.
Figura Nº 2-38 Vista del paso inferior y dos torres en celosía. Fuente: (11)
51
Figura Nº 2-39 Vista en perfil de la estructura. Fuente: (11)
La estructura cuenta con dos torres de acero en celosía de aproximadamente 71
metros de altura cimentadas en cajones de concreto reforzado. Cabe resaltar que
en el año de 1996 el INVIAS adjudicó un contrato con el cual se rehabilito la
estructura con la colocación de platinas de refuerzos en cordones inferiores y
superiores de las armaduras.
Para la evaluación de la estructura se incluyó la información de un estudio de
consultoría de diagnóstico y seguimiento para la rehabilitación de 1996, un informe
de inspección del puente metálico de Cajamarca en el Tolima, planos estructurales
del puente e informes de resultados de ensayos a compresión y módulo de
elasticidad de la losa en concreto realizados por diferentes empresas.
2.2.4.1 Desarrollo del estudio
En la Figura Nº 2-40 se observa el organigrama seguido para la realización del
estudio planteado en el puente, en el que se encuentran las etapas del trabajo
que se desarrollaron.
52
Figura Nº 2-40 Organigrama de trabajo. Fuente: (11)
Previo al monitoreo e instrumentación se realizaron diversos estudio para poder
determinar las características de los materiales de la estructura, para lo cual se
extrajeron muestras de elementos no estructurales. Estas muestras fueron
probadas en el laboratorio de la Pontificia Universidad Javeriana, encontrando que
el tipo de acero utilizado para su construcción es A-33. Además de estos análisis
se realizaron ensayos químicos y de metalurgia. Posteriormente se le implemento
un estudio de efectos locales, el cual evalúa la respuesta sísmica del suelo en
donde esta estructura se encuentra cimentada. Este registro fue de vital
importancia, ya que permitió conocer con mayor certeza el comportamiento
conjunto de cada una de las capas del suelo existente bajo el puente, frente a las
diferentes posibilidades de sismos extraídos de modelos probabilísticos apoyados
en la computación.
53
Figura Nº 2-41 Comparación del espectro de aceleración uniforme. Fuente: (11)
Como se observa en el organigrama se realizó la calibración del modelo
estructural mediante dos métodos. Prueba de carga y medición de vibraciones
ambientales.
El modelo estructural fue desarrollado en la herramienta computacional SAP2000
(Ver Figura Nº 2-42) basado en planos “as built” y el levantamiento geométrico
realizado por la universidad y los contratistas. “En este modelo los elementos de
las torres y las armaduras se modelaron como elementos “Frame”, cuyas
secciones son armadas-compuestas y tienen forma de celosía. La losa en
concreto reforzado se modeló mediante elementos finitos tipo “Shell”. Este modelo
también incluyó la rigidez que proporcionan las barandas y los andenes en cada
lado del puente, lo cual se incluyó mediante elementos “Frame””.
54
Figura Nº 2-42 Modelo estructural en SAP2000. Fuente: (11)
2.2.4.2 Calibración mediante la prueba de carga
Previo a la prueba estática de carga se instrumentaron cada una de las
conexiones del cordón inferior, mediante el uso de herramientas topográficas que
permitían la medición de las deformaciones dadas por la carga implementada.
Esta prueba consto de seis estados, con dos fases de carga. Una con las
volquetas centradas y otra con las volquetas excéntricas. Además se utilizaron 6
volquetas debidamente medidas y pesadas. Durante el proceso de calibración se
observaron ciertas diferencias entre lo esperado y lo obtenido por lo cual se optó
por hacer modificación en el modelo original.
55
Tabla 2-4. Error porcentual entre lo analítico con lo obtenido por lo práctico. Fuente: (11)
Durante el estudio se realizaron pruebas en los refuerzos instaurados durante el
año 1996, encontrando que estos no estaban aportando a la resistencia del
puente, debido a problemas en el proceso constructivo (soldaduras fracturadas).
2.2.5 Conclusiones
Teniendo en cuenta la magnitud del proyecto, las características y el servicio del
puente, se determinó la importancia de poder obtener datos reales que permitieran
desarrollar la metodología planteada para así conocer el estado real de la
estructura. Se encontró que gran parte de los elementos poseen una alta
probabilidad de fallar frente a cargas verticales, característica que aumentó
teniendo en cuenta el estado de los refuerzos implementados en el año 1996. En
resumen, parte de los elementos estructurales monitoreados no cumplieron con
las normas mínimas de seguridad por lo cual se recomendó la rehabilitación.
56
3 O B J E T I V O S
3 . 1 G e n e r a l
Desarrollar una propuesta metodológica para evaluar la capacidad de carga de los
tableros de puentes existentes basados en procedimientos analíticos apoyados en
pruebas estáticas de carga.
3 . 2 E s p e c í f i c o s
Elaboración de la metodología propuesta para combinar la evaluación de la
capacidad de carga de tableros de puentes con pruebas estáticas de carga.
Validar la propuesta metodológica objeto de esta aplicación, por medio de
su implementación a un tablero de un puente existente simplemente
apoyado de concreto reforzado construido en Colombia.
Identificar las ventajas a nivel de seguridad estructural de la metodología
propuesta frente a los resultados obtenidos de la evaluación analítica de
capacidad de carga.
57
4 M A R C O T E O R I C O
4 . 1 E s t u d i o s d e c a p a c i d a d d e c a r g a
En la siguiente sección se presentan las especificaciones para la evaluación de
capacidad carga de puentes existentes según la AASHTO LRFD y el Eurocódigo.
De acuerdo con el lineamiento de investigación se extrajo lo más importante,
dando a conocer los valores y secciones que se deben tener en cuenta en cada
una de las normas.
4.1.1 AASHTO LRFD
A continuación se presentan los términos y valores más relevantes para la
evaluación de la capacidad de carga extraídos de la norma estadounidense
AASHTO LRDF (Ver (12)). Las opciones que comprende esta sección están
clasificadas de la siguiente manera:
Factores de clasificación de carga y resistencia.
Factores de clasificación de carga y esfuerzos admisibles.
Ambos procedimientos son relevantes en la evaluación de puentes y son
aplicables en los siguientes casos:
Puentes nuevos.
Cuando existen cambios en las cargas vivas de diseño.
Cambios en las cargas muertas de diseño.
Diferencias en las normativas actuales y anteriores
Cambios en sus características físicas
Un servicio prolongado o equivalente al de diseño.
58
4.1.1.1 Factores de clasificación de carga y resistencia
La metodología AASHTO-LRFD plantea el uso de factores de carga y
resistencia que han sido calibrados basándose en la teoría de confiabilidad
estructural para alcanzar deformaciones mínimas. Un detalle que cabe resaltar es
que la filosofía o metodología, busca un equilibrio entre la seguridad y la
economía por lo cual ciertos valores se modificaron a favor de esta consideración.
Es el caso del índice de confiabilidad β, que para el caso concreto de una
estructura que requiere rehabilitación se disminuyó de 3.5 a 2.5. El análisis
también depende del estado de la estructura, del servicio y demás factores que
puedan llegar a afectar el estudio. Estos coeficientes deben registrarse y
archivarse conjunto al procedimiento realizado.
La metodología para el análisis de factores de clasificación de carga y resistencia
se divide en tres distintos procesos: 1) diseño de capacidad de carga, 2)
capacidad de carga legal, y 3) capacidad de carga permitida. Los resultados de
cada uno de estos, sirven en usos específicos y también como guía para
determinar de forma clara el grado de servicio y la seguridad que presente la
estructura.
4.1.1.1.1 Diseño de capacidad de carga
Este procedimiento es considerado como el primer nivel de valoración según la
AASHTO, basado en la carga de diseño estipulado mediante el camión HL-93 (Ver
Figura Nº 6-1 Tandem de diseño HL-93. Fuente: con dimensiones y propiedades
dadas por la norma.
Los puentes que aprueben satisfactoriamente la evaluación de diseño de
capacidad de carga ( ) serán analizados con la carga legal
59
4.1.1.1.2 Capacidad de carga legal
Este segundo nivel de evaluación considera únicamente una capacidad de carga
segura, (dependiendo de la configuración del camión) que debe ser aplicable
tanto a la AASHTO como a las cargas permitidas según las leyes o normativas
vigentes en el lugar donde se realice la prueba. Esta carga debe ser seleccionada
dependiendo del tránsito existente sobre la estructura (TPD). Los resultados
obtenidos con las cargas legales, pueden ser usados como punto de referencia
para la rehabilitación de la estructura.
4.1.1.1.3 Capacidad de carga permitida
Se debe comprobar la seguridad y la capacidad de servicio de los puentes con la
revisión de las aplicaciones permitidas para el paso de vehículos cuya carga
supera el límite establecido por la ley. Como es una clasificación de tercer nivel, se
debe aplicar únicamente a los puentes que tienen la capacidad suficiente para
resistir las cargas legales establecidas.
4.1.1.1.4 Cargas para su evaluación
Para la evaluación de la capacidad de carga se debe tener en cuenta las cargas
permanentes y las producidas por los vehículos que transitan sobre él. Las cargas
generadas por agentes externos tales como viento, temperatura, sismos u otras no
suelen ser tenidas en cuenta, a menos de que las condiciones del medio en donde
se encuentre, garanticen la existencia de las mismas y sean de magnitudes
considerables.
4.1.1.1.5 Cargas permanentes
Todas y cada una de las cargas inamovibles de la estructuras deben ser tenidas
en cuenta para su posterior evaluación.
60
4.1.1.1.5.1 Carga muerta: DC y DW
Los efectos de la carga muerta deben ser considerados teniendo en cuenta el
estado en el que se encuentre la estructura. Si la evaluación se realiza tiempo
después de construido el puente, todos los elementos (viga, losa, barandas,
barreras, andenes, bordillos, capa de rodadura) deben ser valorados para así
tener un control sobre la evolución del daño (si aplica).
4.1.1.1.5.2 Factores de carga
Los factores de carga para cargas permanentes están dados en la Tabla 4-2. Si
el espesor de la capa de rodadura es medido en campo, el parámetro puede
tomarse como 1.25.
4.1.1.1.6 Cargas por transito
4.1.1.1.6.1 Cargas vivas por vehículos: LL
La carga viva nominal usada en la evaluación del puente debe ser elegida basada
en el propósito y en el uso previsto de los resultados de la evaluación. Los
modelos de carga viva para la determinación de la capacidad de carga incluyen:
Carga de diseño: Camión de diseño HL-93
Cargas legales: 1) AASHTO cargas legales
2) Clasificación de carga nacional, usada como carga
legal especifica del estado
Cargas permitidas: Camión actualmente permitido
Los factores adecuados de carga viva vehicular para el análisis de capacidad de
carga se encuentran en la Tabla 4-1.
61
Las cargas legales permitidas que tengan una variación mínima en comparación a
las permitidas por la AASHTO, deberán ser evaluadas con el mismo
procedimiento y factores especificados en la normativa.
Nivel de
evaluación
Factor de
carga
Inventario 1,75
Operación 1,35
Tabla 4-1 Factores de carga según su nivel de evaluación. Fuente: (13)
4.1.1.1.6.2 Aplicaciones de las cargas vivas vehiculares.
El número de carriles existentes en el puente y la localización del tren de carga,
deberán estar acorde con la AASHTO (Ver (12)) y con las siguientes
características:
Calzadas con un ancho de 5.5 a 6.1 metros deberá tener dos líneas de
tráfico, cada una con una proporción equivalente a la mitad del ancho de la
carretera.
Calzadas con un ancho menor a 5.5 metros deberá tener únicamente una
línea de tráfico.
El centro de cualquier rueda deberá tener como mínimo 6.1 metros desde el
extremo del carril cargado.
El centro de cualquier rueda no deberá estar a menos de 6.1 metros del
extremo del carril cargado.
La distancia entre ejes de los camiones no deberá ser menor a 1.2 metros.
4.1.1.1.6.3 Carga viva peatonal: PL
La carga viva peatonal no debe ser considerada simultáneamente con las cargas
vehiculares en el análisis de capacidad de carga, a menos de que el ingeniero
62
tenga razones para creer en que esta pueda compararse con la máxima carga
vehicular obtenida.
4.1.1.1.6.4 Carga provocada por viento: WL y WS
Las cargas por viento no deben ser consideradas durante el análisis, a menos de
que circunstancias especiales tales como luces amplias, puentes colgantes y con
grandes alturas ameriten su implementación.
4.1.1.1.6.5 Efecto por temperatura: TG y TU
Los efectos por temperatura no deben ser considerados durante el desarrollo de
los cálculos en el análisis de capacidad de carga.
En los lugares donde la temperatura sea considerablemente alta o baja (casos
extremos), este factor se tendrá en cuenta. Pues influye en el módulo de
elasticidad de los materiales implementados para la construcción afectando la
evaluación final.
4.1.1.1.7 Procedimientos para la obtención de la capacidad de carga
Existen tres procedimientos para la obtención de capacidad de carga que son
compatibles con la filosofía de factores de carga y resistencia.
Diseño de capacidad de carga (primer nivel de evaluación)
Capacidad de carga legal (segundo nivel de evaluación)
Capacidad de carga permitida (tercer nivel de evaluación)
Como finalidad cada uno de los procedimientos está orientado en la determinación
de la carga viva modal, teniendo en cuenta la calibración especial mediante
factores de carga, con la intención de proveer un mantenimiento uniforme y un
nivel de rehabilitación aceptable en cada uno de los casos.
63
4.1.1.1.8 Ecuación general para la capacidad de carga
4.1.1.1.8.1 General
La siguiente expresión debe usarse para evaluar la capacidad de carga de cada
uno de los niveles de evaluación:
( )( ) ( )( ) ( )( )
( )( )
E 4-1
El factor de clasificación (RF) se determina basado en la ecuación E 4-1 y se hace
para cada elemento y solicitación (cortante y momento). Cuando el valor más
crítico es mayor que uno (1) se considera que el tablero del puente tiene la
capacidad necesaria para resistir las cargas. En caso contrario, la estructura no
cumple y deberá estudiarse alternativas de actualización, rehabilitación o
monitoreo.
Para un estado de deformación límite:
Donde los siguientes límites inferiores deben ser aplicados:
Para un servicio límite de estado:
64
Donde:
Factor de clasificación
Capacidad
Deformaciones permitidas especificadas
Resistencia nominal del miembro
Efectos de la carga muerta debido a los componentes estructurales
Efectos de la carga muerta debida a la capa de rodadura.
Cargas permanentes adicionales a la carga muerta
Efecto de la carga viva
Carga dinámica permitida
Factor de carga para componentes estructurales y accesorios extraído de
s la LRFD
Factor de carga para el tablero y elementos adicionales extraído de la
…….. LRFD
Factor de carga para elementos permanentes adicionales a la carga
muerta extraído de la LRFD
Factor de evaluación para la carga viva
Factor de condición
Factor del sistema
Factor de resistencia LRFD
4.1.1.1.8.2 Estados limites
65
La norma dispone de diferentes factores de mayoración para carga viva y muerta
en puentes acero, concreto reforzado, concreto pre-esforzado y en madera.
Tipo de
puente
Estado limite
Carga
muerta
Carga
muerta
Nivel
Inventario
Nivel
Operacional Carga legal
Carga
permitida
Acero
Resistencia 1 1.25 1.50 1.75 1.35
Tablas
6A,4,4,2,3a-1
y 6A,4,4,2,3b-1
----
Resistencia 2 1.25 1.50 ---- ---- ---- Tabla
6A,4,5,4,2a-1
Servicio 2 1.00 1.00 1.30 1.00 1.30 1.00
Fatiga 0.00 0.00 0.75 ---- ---- -----
Concreto
reforzado
Resistencia 1 1,25 1,50 1,75 1,35
Tablas
6A,4,4,2,3a-1
y 6A,4,4,2,3b-1
----
Resistencia 2 1,25 1,50 ---- ---- ---- Tabla
6A,4,5,4,2a-1
Servicio 1 1,00 1,00 ---- ---- ---- 1,00
Concreto
pre-
esforzado
Resistencia 1 1.25 1.50 1.75 1.35
Tablas
6A,4,4,2,3a-1
y 6A,4,4,2,3b-1
----
Resistencia 2 1.25 1.50 ---- ---- ----- Tabla
6A,4,5,4,2a-1
Servicio 3 1.00 1.00 0.80 ---- 1.00 -----
Servicio 1 1,00 1,00 ---- ---- ---- 1,00
Madera Resistencia 1 1.25 1.50 1.75 1.35
Tablas
6A,4,4,2,3a-1
y 6A,4,4,2,3b-1
----
Resistencia 2 1.25 1.50 ---- ---- ---- Tabla
6A,4,5,4,2a-1
Tabla 4-2 Estados límites y factores de carga. Fuente: (13)
4.1.1.1.8.3 Factores de reducción de resistencia
66
Ciertas características influyen directamente en la capacidad que un puente pueda
llegar a tener tanto en sus elementos como en sus conexiones. Son los materiales
y las dimensiones los que intervienen directamente en esta capacidad. Algunas
de las causas que influyen en la incertidumbre de los factores de reducción
pueden clasificarse en las siguientes tres categorías (6):
1. Factor materia: Se encuentra todos los agentes que influyen en la calidad
del material como lo es el módulo de elasticidad, los componentes
químicos, el estado frente al medio ambiente y los esfuerzos a los que
están siendo sometidos.
2. Factor de análisis: Se encuentra la tensión idealizada, método de
aproximación de análisis y modelo de distribución de tensión
3. Factor de fabricación: Influye la geometría, dimensiones y el módulo de
sección.
Denominación Símbolo descripción
factor de
condición
Es una reducción de variable relacionada con el estado de deterioro de
los elementos, va de un buen estado que es representado con 1.00,
pasando por regular con un valor de 0.95, y terminando con pobre que
se valora con 0.85.
factor del
sistema
En este factor no se tiene en cuenta un único elemento, si no el
conjunto de todos los elementos trabajando como una estructura en
donde se evalúa la redundancia que presente el sistema. Este nivel de
redundancia se clasifica según la respuesta de la estructura frente a
daños y como esta disipa o mueve las cargas según la necesidad.
Puentes que tengan una baja redundancia tendrán bajo factor de
reducción y por consiguiente tendrán una baja clasificación. Ver tabla
6A,4,2,4-1 (1).
factor LRFD Tomados de la norma de diseño AASHTO LRFD (13)
Tabla 4-3 Factor de reducción de resistencia. Fuente: Adaptado de (6)
67
4.1.1.2 Factores de clasificación de carga y esfuerzos admisibles
Este es el segundo método de evaluación para la obtención de capacidad de
carga Durante su desarrollo no se tiene en cuenta los factores de reducción para
la obtención de los factores de clasificación, únicamente implementa el método de
esfuerzos admisibles.
Cada puente en operación debe clasificarse mediante dos niveles. El nivel de
clasificación de inventario y de operación. El nivel de inventario corresponde al
nivel de diseño habitual de las tensiones reflejando las condiciones del puente y
de los materiales existentes en relación con el deterioro y la pérdida de sección. El
nivel de operación lo que busca es describir o estipular la máxima carga viva
permisible a la cual el Puente será sometido.
4.1.1.2.1 Métodos de clasificación
En la clasificación de cargas para los elementos de los puentes, dos métodos son
permitidos para su determinación. El primero corresponde al método de esfuerzos
permitidos y segundo con el de factor de carga.
4.1.1.2.1.1 Deformaciones permitidas: AS
Este es un método tradicional que permite proveer seguridad a la estructura. Las
cargas actuales son combinadas para llevar el miembro o elemento al máximo de
deformación, sin que sobrepase el permitido. Es necesario tener disponible un
factor de seguridad apropiado para garantizar que el elemento no exceda el límite
de esfuerzo del material.
4.1.1.2.1.2 Factor de carga: LF
68
El método del factor de carga consiste en analizar la respuesta de la estructura
frente a diversas cargas. Diferentes factores son aplicados a cada una de ellas, lo
que muestra una clara incertidumbre en el cálculo de las mismas.
4.1.2 Eurocódigo
Los eurocódigos producidos por el comité de normalización europeo (CEN),
presentados en la Tabla 4-4. Partes del Eurocódigo. constituyen un grupo de diez
normativas europeas para el diseño y construcción de cualquier tipo de obra civil.
No obstante, se deben utilizar los eurocódigos que sean necesarios para analizar,
diseñar y construir cualquier tipo de proyecto.
EN 1990 Eurocódigo: Bases de diseño estructural.
EN 1991 Eurocódigo 1: Acciones en las estructuras.
EN 1992 Eurocódigo 2: Diseño de estructuras de concreto
EN 1993 Eurocódigo 3: Diseño de estructuras de acero
EN 1994 Eurocódigo 4: Diseño de estructuras compuestas de acero y
concreto.
EN 1995 Eurocódigo 5: Diseño de estructuras de madera
EN 1996 Eurocódigo 6: Diseño de estructuras de mampostería
EN 1997 Eurocódigo 7: Diseño geotécnico.
EN 1998 Eurocódigo 8: Diseño de estructuras sismo-resistentes.
EN 1997 Eurocódigo 9: Diseño de estructuras de aluminio.
Tabla 4-4. Partes del Eurocódigo. (14)
Cada Eurocódigo, excepto el EN 1990, está dividido en varias partes abarcando
un número específico de aspectos esenciales para el análisis, diseño y
construcción del proyecto. Más concretamente los Eurocódigos 2, 3, 5 y 8 cuentan
con una segunda parte que abarca el diseño de puentes.
Un diseñador de puentes debe usar el EN 1990 para diseño base, EN 1991 para
las acciones, EN 1992 al 1995 para el diseño estructural detallado dependiendo
69
del material, EN 1997 para los aspectos geotécnicos y el EN 1998 para el diseño
sismo-resistente de la estructura. (14). Cabe resaltar que en esta última norma, no
se tiene en cuenta puentes suspendidos, de madera y mampostería, móviles y
puentes flotantes. El diseño de estas tipologías debe ser con base en la normativa
interna de cada país.
En la Tabla 4-5, se muestra las principales partes usadas para el diseño de
puentes de concreto, acero y estructuras compuestas del Eurocódigo.
Adicionalmente en la Figura Nº 4-1, se muestra un ejemplo de la forma en que
cada parte debe ser usada.
EN Alcance Concreto Acero Compuesto
EN 1990 Diseño Básico X X X
EN 1990/A1 Puentes X X X
EN 1991-1-1 Peso Propio X X X
EN 1991-1-3 Carga de Nieve X X X
EN 1991-1-4 Carga de Viento X X X
EN 1991-1-5 Acción de la temperatura X X X
EN 1991-1-6 Acción durante la construcción X X X
EN 1991-1-7 Acción accidental X X X
EN 1991-2 Cargas de tráfico X X X
EN 1992-1-1 Reglas Generales X X
EN 1992-2 Puentes X X
EN 1993-1-1 Reglas Generales X X
EN 1993-1-5 Elementos Plateados X X
EN 1993-1-7 Planos de Carga X X
EN 1993-1-8 Juntas X X
EN 1993-1-9 Fatiga X X
EN 1993-1-10 Tenacidad del Material X X
EN 1993-1-11 Componentes a Tensión X X
70
EN 1993-1-12 Estructuras cargadas
Transversalmente
X X
EN 1993-2 Puentes X X
EN 1993-6 Pilotaje X X
EN 1994-1-1 Reglas Generales X
EN 1994-2 Puentes X
EN 1997-1 Reglas Generales X X X
EN 1997-2 Pruebas X X X
EN 1998-1 Reglas Generales, acciones
sísmicas
X X X
EN 1998-2 Puentes X X X
EN 1998-5 Fundaciones X X X
Tabla 4-5. Partes del EN usadas para el diseño de puentes, (14).
Figura Nº 4-1. Uso del Eurocódigo según el elemento. (14).
La implementación de los Eurocódigos empezó a regir a partir del año 2010. Antes
de esta fecha, cada país tenía su propia normativa. Actualmente existen
71
diferencias técnicas y culturales en los Eurocódigos que los diseñadores deben
empezar a adoptar. No sin olvidar, que se requiere un extenso y riguroso
entrenamiento, con el fin de naturalizar el uso de estos requisitos. (15).
El cambio de normativa requiere una actualización en las herramientas de diseño,
más que todo en los avances tecnológicos que se han venido adoptando en el
mundo, más concretamente en Europa. Estos cambios presentan métodos de
diseño más eficientes (16), por lo que la adaptación de los países de la unión
europea debe ser rápida y eficaz.
Sin embargo, la implementación de pruebas de carga, aún no hace parte de los
requisitos fundamentales en las normas. Es por esto que los diferentes países de
la unión europea, aún se basan en normativas propias para evaluar el estado y
capacidad real de los puentes.
Es el caso de España, en donde aún se usa el documento de recomendaciones
para realizar las pruebas de carga emitido por la Dirección General De Carreteras
del Ministerio de Fomento.
Diversos autores se han empeñado en presentar ejemplos de la forma en la cual
se debe evaluar la capacidad analítica de los puentes, siguiendo paso a paso las
instrucciones de los Eurocódigos. Es el caso de Bouassida, que junto otros
ingenieros civiles han publicado manuales y metodologías de evaluación de
capacidad de carga analítica que se acoplan a la nueva normativa. (14).
El Eurocódigo establece estándares detallados para cada componente de la
estructura, con el fin de evaluar el puente de la forma más detallada posible. Cada
componente de la estructura debe evaluarse de manera independiente para que
así se tenga en cuenta hasta el mínimo detalle. Ingeniería de detalle, es lo que
resalta el Eurocódigo.
No sólo se analiza la forma en la que el puente responde a las cargas, sino
también la manera en que toda la estructura se asocia para distribuir cada
72
esfuerzo generado eficazmente. Es por esto que factores ajenos, tales como la
temperatura y humedad, se tienen en cuenta para evaluar su efecto en el puente.
4 . 2 P r u e b a s d e c a r g a
4.2.1 AASHTO
Los mecanismos de evaluación dados por la AASHTO para la evaluación de
puentes, utilizan conceptos y a su vez emplean suposiciones que durante su etapa
de diseño fueron tenidas en cuenta, con lo cual tienden a ignorar ciertos factores
que son de vital importancia para determinar el estado real de la estructura. Entre
los factores que se pueden resaltar están las acciones inesperadas de los
elementos no estructurales tales como barandas, bordillos, soportes fijos, etc. Esta
metodología planteada por la AASHTO en algunas ocasiones desestima el
estado real del puente, colocando así una estructura que puede estar en óptimas
condiciones de uso, bajo cierre total o parcial. También es el caso contrario, el
cual puede llegar a ser el peor. Que se diagnostique de forma correcta, es decir,
se diga que está en óptimas condiciones para su uso y cuando se implemente
una carga considerable, la estructura presente daños parciales que puedan llegar
a provocar el desplome del mismo.
Como resultado a la situación previamente descrita muchas de las instituciones de
los Estados Unidos han adoptado las pruebas de carga y/o ensayos no
destructivos para obtener una evaluación más certera del estado real del puente.
4.2.1.1 Pruebas de carga según AASHTO
Existen dos tipos de pruebas de carga. Ensayo de diagnóstico y ensayo de
prueba. El ensayo de diagnóstico es realizado para determinar la respuesta del
73
puente para comprobar o calibrar el modelo matemático. El ensayo de prueba se
realiza para determinar la máxima capacidad de la estructura.
4.2.1.1.1 Ensayo de diagnóstico
El ensayo de diagnóstico es utilizado generalmente cuando no se tienen los datos
de diseño dados por el constructor, lo cual se necesita para poder realizar un
modelo analítico que permita identificar el comportamiento aproximado del
puente, o simplemente para corroborar su correcta construcción. Este ensayo
incluye la medición de elementos críticos de la estructura los cuales
posteriormente son comparados con los resultados analíticos para poder ajustar
las características analíticas y así aproximarse más al comportamiento real del
puente.
Durante el ensayo diagnostico se utiliza una carga conocida para generar un
comportamiento lineal, que no sobrepase su límite elástico (Ver Figura N° 4.2).
Existen dos formas para realizar esta prueba. Una es de forma estática y otra de
forma dinámica. En el primer caso se sitúa la carga en un punto determinado,
mientras los valores (dependiendo el tipo de prueba) son registrados. En el
segundo caso los datos son tomados en diferentes puntos a lo largo de la
superestructura del puente mientras una carga móvil pasa a una velocidad baja
determinada por la norma. En algunas ocasiones la velocidad se aumenta para
poder observar el comportamiento del puente frente a un impacto dinámico.
Normalmente los resultados obtenidos en campo son mayores a los esperados,
esto por la dificultad de proyectar la rigidez del puente y las condiciones de
construcción.
4.2.1.1.2 Ensayo de Prueba
Un ensayo de prueba es la acción mediante la cual se intenta predecir la
capacidad máxima segura, mediante la implementación de un vehículo de
74
evaluación dado por la norma. Este es utilizado al igual que en el ensayo
diagnostico cuando no existe un historial o una documentación de la construcción
del puente, es decir cuando no hay planos de diseño. También se utiliza cuando la
estructura posee un uso considerable, lo que genera un desgaste en sus
componentes estructurales los cuales no pueden ser asimilados o reflejados en el
modelo analítico, al igual que en el caso de que la estructura tenga daños, bien
sea por uso o por factores externos como son accidentes, agentes climáticos, ríos,
etc. La carga representada por el vehículo debe ser implementada gradualmente,
buscando la seguridad del puente mediante la medición y revisión constante de
sus componentes durante la prueba, y así, determinar con tiempo suficiente un
comportamiento inadecuado (no lineal) o la fractura de elementos que pueden
llevar al desplome de la estructura. Los ensayos de prueba se dan por terminado
cuando la capacidad máxima solicitada es alcanzada, o el comportamiento del
puente es inadecuado (no lineal) o presenta daños provocados por la carga dada.
Figura Nº 4-2. Capacidad Elástica en una Prueba de Carga. Fuente: (12).
75
4.2.1.2 Mediciones en pruebas de carga
Existen diversas características medibles mediante instrumentación que permiten
observar de forma clara el comportamiento del puente, entre la cuales se
encuentran: 1) tensión en componentes del puente, 2) desplazamientos absolutos
o relativos, 3) rotación absoluta o relativa de componentes y 4) características
dinámicas del puente.
1) Para la medición de los componentes a tensión se disponen dispositivos de
resistencias eléctricas, transductores de tensión y medidores acústicos de tensión.
La elección de uno de estos mecanismos es de vital importancia para la obtención
de resultados óptimos según el ambiente y las condiciones operacionales.
2) En el caso de los desplazamientos hay tres métodos dados por la AASHTO.
Mecánicos, ópticos y eléctricos. Los medidores mecánicos presentan una facilidad
en la configuración y monitorio de la estructura. Su precisión es por lo general
suficientemente buena para las pruebas. Los mecanismos ópticos, contienen
instrumentación laser o herramientas topográficas que son usadas cuando se
necesita una precisión alta en los resultados. Los métodos eléctricos contienen
transductores de desplazamiento como lo es el LVDT (Linear Variable Differential
Transformers), el cual evalúa el desplazamiento en relación al cambio de voltaje
eléctrico. Este puede ser usado en pruebas estáticas y/o dinámicas.
3) Mecanismos de inclinómetros son implementados en las vigas para poder
determinar la rotación existente en el elemento durante su prueba.
4) Los acelerómetros son los utilizados para determinar la características
dinámicas, estos son situados en la parte media y en el cuarto de la viga para
determinar el primer y segundo forma modal longitudinal.
76
4.2.1.3 Condiciones en las cuales no se debe realizar la prueba de carga
Las siguientes condiciones son esenciales para dictaminar si un puente no es apto
para ejecutar la prueba de carga:
1) El costo de la prueba de carga, alcanza o sobrepasa el costo del
fortalecimiento del mismo.
2) De acuerdo con el cálculo analítico el puente no puede resistir ni si quiera el
nivel mínimo de carga.
3) Con la implementación de una pre-prueba, se obtengan los suficientes
datos que confirmen que la estructura no es capaz de resistir la totalidad de
la carga.
4) Hay una posibilidad de desplome. (Dado por deterioro o fractura en sus
elementos).
5) La prueba de carga no es práctica dado al difícil acceso o al tráfico
existente.
4.2.1.4 Capacidad de carga a través de la prueba de carga
Tanto el ensayo de prueba como el de diagnóstico, pueden ser utilizados para
tener mayor certeza del comportamiento real de la estructura. Además ayuda a
identificar y cuantificar de una manera analítica la capacidad real del puente.
4.2.1.4.1 Ensayo diagnóstico de carga
Previo a la realización de la prueba de carga se debe realizar un procedimiento
analítico para determinar la capacidad teórica del puente. Luego, se comparan los
resultados obtenidos durante la prueba, para así reajustar el modelo analítico y
de esta manera precisar el diagnóstico de la estructura. Es de vital importancia
que la prueba de carga se ejecute en diferentes posiciones de la estructura, para
77
así observar todas las repuestas críticas de los miembros del puente. Durante
esta comparación, la estructura es sometida a un porcentaje máximo estipulado de
la capacidad de carga hallada analíticamente, lo cual permite que el
comportamiento sea lineal y que su análisis sea más seguro. Obtenido el
resultado, los evaluadores podrán extrapolar los valores con la capacidad máxima.
A continuación se presentan las ecuaciones existentes en la AASHTO, usadas
para modificar los cálculos de la capacidad de carga.
E- 4-1
Factor de capacidad de carga basado en los resultados de la prueba
estática
Factor de capacidad de carga analítico
Factor de ajuste del resultado de la comparación entre lo medido durante
la prueba y el modelo analítico (representa el beneficio de la prueba de carga, si lo
hay).
Determinación del parámetro .
78
E- 4-2
Compara las deflexiones obtenidas en la prueba de estática de carga con
las esperadas, las cuales son determinadas mediante procedimientos netamente
analíticos.
Compara la carga empleada en la prueba estática con respecto a la de
diseño, estipulada en la normativa empleada para el análisis de la carga viva.
Sin la realización de la prueba de carga . Si la prueba de carga resulta
totalmente igual a lo esperado por la teoría . Por lo general después de la
realización de la prueba de carga no es igual a 1. Si , la respuesta del
puente es más favorable que la esperada teóricamente, por lo cual las condiciones
del puente mejoran. En cambio, si el comportamiento del puente es peor a
lo esperado analíticamente, por consiguiente se debe reducir la capacidad del
puente.
El Factor (Ver Tabla 4-1) proporciona orientación basada en el comportamiento
esperado de los elementos del puente en el nivel de calificación de carga, y la
relación que existe entre la carga impuesta en la prueba estática de carga “T” y la
carga de diseño “W”.
Puede el
comportamiento del
elemento extrapolarse a
1.33W?
Magnitud de la prueba de carga
SI NO
79
X X 0
X X 0.8
X X 1.0
X X 0
X X 0
X X 0.5
Tabla 4-1. Valores de Kb. Fuente: (12)
El factor se le debe asignar un valor entre 0 y 1, el cual representa el nivel de
prueba de beneficio que es esperado en términos de capacidad de carga. = 0
representa la inhabilidad del grupo de pruebas para explicar el comportamiento o
validar los resultados de la prueba, de otro lado si = 1 significa que las
mediciones en la prueba pueden ser directamente extrapolados para valores más
altos de capacidad de carga.
4.2.1.4.2 Ensayo de prueba de carga
El ensayo de prueba de carga puede llegar a ser un complemento eficaz del
cálculo de la capacidad analítica de carga de la estructura. Mediante la
implementación del ensayo de prueba, es posible determinar la capacidad del
puente para resistir su propio peso (carga muerta) más una significativa carga
viva. Una carga considerablemente mayor en comparación a esta última es
colocada en la estructura para tener un margen de seguridad.
4.2.1.4.3 Objetivo del ensayo la prueba de carga
representa el factor de carga viva (aplicado a la prueba de carga) necesitado
para que el puente pueda llegar a alcanzar un factor de clasificación igual a 1.0.
Si la prueba de carga alcanza de modo seguro, el nivel esperado, entonces quiere
decir que la clasificación legal puede ser computada con el factor , donde el
80
factor de clasificación será 1. Durante la prueba de carga los factores utilizados en
el transcurso de la realización de la misma, proveen un rango de seguridad
equivalente al que posee la capacidad de carga, mediante la implementación de
los factores de carga y resistencia. Solamente la carga viva es mayorada durante
la prueba, por otro lado la carga muerta es asumida teniendo en cuenta el valor
medio de la misma.
Existen diferentes condiciones que afectan la realización de la prueba, estas son
tenidas en cuenta mediante la modificación o intervención del factor
convirtiéndose en .
El valor recomendado según la AASHTO para antes de que se le realicen los
ajustes según las condiciones es de 1.40.
Para deflexiones basadas en pruebas:
( )
E- 4-3
Para deflexiones basadas en cálculos:
( ) E- 4-4
Los niveles de confiabilidad para el análisis de la deflexión relacionado con la
utilización de ambas ecuaciones son similares, aunque mediante la realización de
la prueba de carga existe una mayor confianza en comparación con los obtenidos
analíticamente.
Algunos de los ajustes sugeridos por la AASHTO se encuentran continuación:
1) En la mayoría de la situaciones se aplican los factores de carga viva en la
pruebas en dos líneas de carga. Si una de las líneas puede controlar la
respuesta de la estructura, entonces tendrá un incremento del 15 %.
Este incremento está estipulado en la norma (13).
81
2) Para secciones con detalles críticos de fractura, el factor de carga viva
deberá ser incrementado proporcionalmente al nivel de rehabilitación de la
estructura.
4.2.2 España
La normativa española brinda recomendaciones para la realización de la prueba
de carga en las diferentes estructuras viales existentes. Cabe resaltar que
estructuras no comunes tales como pasos férreos y acueductos tendrán un trato
especial. Estas pruebas son obligatorias para la entrega de nuevas estructuras
teniendo en cuenta su luz, pues espaciamientos no mayores a 12 metros estarán
sujetos a la disposición del ingeniero encargado. (3)
“Todo puente proyectado de acuerdo con la presente Instrucción deberá ser
sometido a pruebas de carga antes de su puesta en servicio, de acuerdo con lo
indicado en el preceptivo anejo que sobre la materia incluirá todo proyecto
aprobado por la Dirección General de Carreteras.” Tomado de: (3)
“Tales pruebas podrán ser estáticas o dinámicas. Las primeras serán siempre
obligatorias, las segundas serán preceptivas en aquellas estructuras en las que
sea necesario verificar que las vibraciones que se puedan producir no afectarán a
la funcionalidad de la obra.” Tomado de: (3)
4.2.2.1 Dirección y realización de la prueba
El Director de la Obra nombrara un Ingeniero especializado en este tipo de
trabajos, quien se denominará Director de la prueba, deberá estar presente
durante todo el desarrollo de la misma y será quien dé por finalizado cada estado
82
de carga una vez que la considere realizada en todas sus fases. También podrá
ordenar la suspensión de la misma cuando así lo amerite.
4.2.2.2 Planteamiento de la prueba
4.2.2.2.1 Proyecto de la prueba
El proyecto de prueba debe incluir los siguientes documentos:
Memoria.
Planos.
Pliego de Prescripciones.
Técnicas Particulares.
Presupuesto.
Durante esta etapa deberán quedar definidos todos y cada uno de los aspectos
que en la prueba conciernen, es el caso de las líneas de carga, la instrumentación,
medios auxiliares y valoración económica de la misma. También las
características de los vehículos de carga con los que se va a realizar la prueba (en
caso de no conocerlos al realizar el Proyecto) deberán cumplir con uno de los dos
vehículos tipo presentados en la Figura Nº 4-3 y en la Figura Nº 4-4. Es preferible
que todos los vehículos utilizados en una prueba sean iguales entre sí en cuanto a
forma, peso y dimensiones. (3)
83
Figura Nº 4-3 Camión de tres ejes. Fuente: (3)
Figura Nº 4-4 Camión articulado de cuatro ejes. Fuente: (3)
Cualquier modificación (cambio de vehículo, cambio en las características de los
materiales) durante la realización de la prueba de carga, dará como consecuencia
la nueva realización de la estructuración del proyecto de la prueba de carga.
84
4.2.2.2.2 Sistema de medida
Las mediciones y la forma de cómo se vallan a tomar las medidas, serán
estipuladas en el proyecto de la prueba y deberán ser suficientes para poder
obtener resultados contundentes frente a lo esperado. Se debe medir al menos la
flecha en todos los centros de vano y el descenso en líneas de apoyo. Para el
caso específico de una sección tipo cajón, se recomienda que la cantidad de
puntos de medición sea más de uno. Otro caso es el del tablero con vigas, para lo
cual se aconseja medir como mínimo en tres puntos, uno en la viga central y los
otros dos en el borde de las vigas. Adicionalmente la instrumentación que se
utilice debe estar calibrada y poseer una sensibilidad mínima del 5% con
respecto a los valores más pequeños esperados en los puntos de medida
significativos y superior en un 50% a los máximos valores.
4.2.2.2.3 Determinación del módulo de elasticidad del hormigón
En el caso de los puentes de hormigón es necesario obtener la curva
tensióndeformación (ensayo realizado por un laboratorio especializado) para
poder conocer las características del material.
4.2.2.2.4 Efectos de las condiciones meteorológicas
La temperatura como ya se sabe es un factor o aspecto importante a tener en
cuenta al momento de analizar cualquier material, más aún es el caso de un
puente. Se recomienda la implementación de dos sensores en ambas costados de
la cara del tablero para poder obtener un registro homogéneo de la temperatura.
Cabe resaltar que entre menor sea la exposición a la temperatura en la estructura
y en la instrumentación, mejores y más precisos podrán ser los datos obtenidos.
85
4.2.2.2.5 Fecha de ejecución de la prueba
Cabe resaltar que la prueba de carga se realizara previo a la utilización o a la
puesta en marcha de la estructura. Para la realización de la prueba se requiere
que el hormigón haya alcanzado la resistencia exigida en el proyecto.
Seguidamente el director podrá autorizar la prueba de carga.
4.2.2.3 Actuaciones complementarias
Para la realización de la prueba se tendrán en cuenta factores que previamente
pueden ser determinados para que la misma se desarrolle de forma normal. Entre
los factores podemos resaltar; acceso, replanteo del tren de carga, movimientos,
acomodación del personal, elementos críticos de la estructura, etc.
Durante la realización de la prueba se realizara un seguimiento en tiempo real de
los elementos considerados críticos sin llegar a descuidar el resto de la estructura,
para así prever cualquier situación de riesgo y a su vez la conservación de la
estructura.
4.2.2.4 Desarrollo de la prueba
4.2.2.4.1 Materialización del tren de carga
Características que debe cumplir el tren de carga constituido por camiones:
Alcanzar un nivel de carga correspondiente a un período de retorno próximo
a 5 años.
Las solicitaciones a que dé lugar el tren de carga real deben estar en torno
al 60% de los valores teóricos.
En ningún caso las solicitaciones producidas por el tren de carga real serán
superiores al 70% de dichos esfuerzos teóricos.
Previo a la realización de la prueba de carga se deberán pesar los
vehículos que se implementaran para la misma, buscando que el margen
86
de error en cuanto al peso no sea mayor al 5 % considerado por el
proyecto. Esto quedara en el registro mediante los recibos del pesaje.
El posicionamiento de los vehículos deberá ser demarcado previamente
sobre la estructura para que haya claridad al momento de si colocación.
4.2.2.4.2 Estados de carga
Las configuraciones, fases o etapas estarán determinadas con el objeto de
alcanzar los porcentajes máximos de deformaciones esperadas, es decir las fases
o etapas de la prueba de carga se desarrollaran en función de alcanzar estos
porcentajes. Según
“En el caso de vanos simplemente apoyados, se cargará todo el vano. En el caso
de puentes continuos, en general será suficiente con cargar parejas de vanos
continuos y de vanos alternos, de forma que, en todas las secciones de apoyo y
de centro de vano, se alcancen los porcentajes de esfuerzos indicados en el
apartado 4.2.2.4.1.” Tomado de: (3)
Durante la prueba no será necesario cargar andenes o elementos adicionales al
tablero.
4.2.2.4.3 Forma de aplicación de la carga
Los vehículos utilizados para la prueba de carga se desplazarán por la estructura
con una velocidad mínima, esto con el ánimo de reducir o anular cualquier efecto
dinámico al que pueda estar sometida la estructura por el transito que se le está
implementando, con el fin de no someter el puente a esfuerzos mayores a los
esperados.
En cada cambio de fase se deberá descargar completamente la estructura y
esperar su recuperación total, lo cual indica que la estructura esta apta para la
siguiente fase.
87
4.2.2.4.3.1 Escalones de carga
La implementación de la carga se realizara de forma progresiva, mediante fases,
de manera que se pueda evidenciar la respuesta de la estructura de forma
paulatina. La descarga se hará teniendo en cuenta la filosofía de carga.
4.2.2.4.3.2 Criterio de estabilización
En el numeral 5.2.1.4.3 del presente documento se explica el procedimiento de
estabilización de carga y descarga. En la Figura Nº 4-5 y Figura Nº 4-6 se
presenta un esquema explicativo para la definición de la estabilización de carga y
descarga respectivamente
Figura Nº 4-5
Proceso de carga. Fuente: (3)
88
Figura Nº 4-6 Proceso de descarga. Fuente: (3)
4.2.2.4.3.3 Criterio de remanencia
En el documento (3), se explica el criterio de remanencia, en el cual
expone: “Los valores remanentes , se definen como la diferencia entre
los valores estabilizados después de la descarga y los iniciales antes de la
carga.
Los límites para las remanencias en cada punto de medida , se
indican a continuación y están referidos a los valores máximos de la
respuesta medida de la estructura:
a) Puentes de hormigón armado: 20%
b) Puentes de hormigón pretensado o mixto: 15%
e) Puentes metálicos: 10%
La remanencia α correspondiente al estado de carga vendrá dada por:
89
Si el valor remanente se considera admisible.
Si deberá realizarse un segundo ciclo de carga (repetición
del ensayo)
Si se suspenderá la aplicación de la carga
En caso de ser necesario un segundo ciclo de carga:
Si el valor remanente se considera admisible.
Si se suspenderá la aplicación de la carga.
Donde α es es la remanencia obtenida en el primer ciclo y la obtenida
en el segundo ciclo (tomando en este caso como valores iniciales los
estabilizados después de la descarga del primer ciclo).”
Figura Nº 4-7. Valores remanentes. Fuente: (3)
90
4.2.2.4.4 Pruebas de carga simplificadas
Existen algunas pruebas que según las características y las condiciones en las
que se encuentra la estructura, permiten reducir o simplificar la intensidad y el
detalle de su ejecución, dando lugar a las pruebas simplificadas. Estas deben
tener el mismo grado de detalle al momento de realizar el informe en comparación
a pruebas de carga completas. Los casos en los que se pueden presentar este
tipo de pruebas son los siguientes:
a) Puentes con varios vanos similares
En el caso de puentes de vanos simplemente apoyados, deberá realizarse la
prueba completa en uno de cada cuatro vanos similares, con un mínimo de dos
vanos, pudiendo simplificarse la prueba en el resto.
En el caso de puentes de vanos continuos, deberá realizarse la prueba completa
en los extremos y en uno de cada cuatro vanos interiores similares o fracción, con
un mínimo de dos interiores. La prueba del resto de los vanos podrá ser
simplificada.
A los efectos de este apartado, se considerarán vanos similares aquellos cuyas
luces no difieran en más de un 10% respecto de la del vano menor, siempre que
su solución estructural sea la misma. (3)
b) Obras iguales e independientes
Cuando haya cuatro o más obras iguales, y siempre que hayan sido ejecutadas en
las mismas condiciones, podrá hacerse prueba de carga simplificada en un
número de ellas no superior al 50%. Sin embargo, en aquellas estructuras en las
que se apliquen las simplificaciones, se realizará la prueba completa en, al menos,
dos vanos.
En los vanos en los que se aplica la simplificación, el autor (3) expresa lo
siguiente:
91
a) La aplicación de la carga podrá reducirse a un sólo escalón.
b) Sólo será preciso efectuar medidas en los puntos más característicos,
bastando generalmente con la medida de las flechas en el centro de la luz
de cada uno de los vanos y el descenso de apoyos en caso de
considerarse que su magnitud es significativa.
c) En el Proyecto de la prueba podrá reducirse el número de estados de carga
y/o definir estados de carga más sencillos, con la condición de que todos
los vanos queden sometidos a la acción directa de algún tren de carga.
En caso de que se cuente con sistemas automáticos de medida, la
simplificación de los estados de carga puede introducirse realizando una
prueba cuasi-estática. En ésta, el tren de carga circulará como máximo a 5
km/h y se registrarán datos en todos los puntos de medida con una
intensidad no inferior a 10 lecturas por segundo y punto. En este caso, no
será de aplicación el criterio de estabilización indicado en el apartado
4.2.2.4.3.2.
4.2.2.4.5 Pruebas complementarias
Dependiendo de las condiciones de cómo se haya realizado la prueba de carga y
los resultados obtenidos, el director de obra puede decidir si es necesario realizar
pruebas adicionales, cuando haya duda con respecto a la coherencia de los datos
o una inconformidad en los procedimientos.
4.2.2.5 Criterios de aceptación
Otras de las condiciones que se tienen en cuenta para validar la prueba de carga
son las siguientes:
a) En pruebas simplificadas
92
En los vanos en los que se ha realizado la prueba simplificada, los resultados
obtenidos no deberán desviarse en más de del10% en los del vano al cual se han
asimilado, una vez introducida la corrección debida a la diferencia de luces.
Si en algún vano esta última condición no se cumple, deberá realizarse la prueba
de carga completa. (3)
b) Las fisuras dadas durante la prueba de carga y aquellas que permanezcan
después de transcurrida la prueba, deberán estar acorde con lo expuesto
en la instrucción de Hormigón Estructural (EHE) en donde se encuentran
los límites de fisuración.
c) No deberán existir elementos estructurales con agotamiento de la
capacidad portante.
4.2.2.6 Informe de la prueba de carga
Culminada la prueba se tendrán en cuenta los siguientes aspectos en la
realización del informe (3):
Fecha, hora de inicio y fin y asistentes a la prueba
Referencia al proyecto de la estructura y de la prueba de carga (clave,
fecha, autor, etc.)
Descripción de la obra y de su estado previo a la prueba
Descripción detallada de los vehículos utilizados y los distintos estados de
carga
Descripción de las magnitudes, equipo instrumental de toma de datos y
número y situación de los puntos de medida
Información sobre el desarrollo de la prueba (hora de comienzo de cada
estado de carga, tiempo transcurrido entre carga y descarga, número de
escalones, etc.)
Registros de las magnitudes medidas durante la prueba
93
Comparación con los valores teóricos previstos y valoración del
cumplimiento de los criterios de aceptación
Cuestiones de interés observadas en las inspecciones de la obra antes,
durante o después de la prueba
Documentación fotográfica, condiciones meteorológicas, puntos de
referencia para la nivelación si los hubiera, incidencias, etc.
Seguidamente de la realización del informe se procederá a efectuar el acta de
entrega en donde se estipulan los detalles más relevantes de la realización de la
prueba junto con las conclusiones de los resultados obtenidos. Esta acta de
entrega deberá ser firmada por el director del proyecto, director de la prueba y el
constructor.
4.2.3 Francia
4.2.3.1 El objetivo de la prueba de carga
Los objetivos de realizar pruebas de carga son:
Asegurar al cliente que la estructura es capaz de resistir de manera óptima
las cargas de prueba y por extrapolación, las cargas que probablemente
van a transitar sobre la estructura. Se necesita que no haya ningún daño
considerable en la estructura cuando ésta esté resistiendo las cargas de
prueba.
Verificar que el comportamiento mecánico de la estructura sea conforme al
modelo estructural de diseño.
Proveer valores y estados de referencia para cada uno de los elementos
principales del puente. El director y controlador del puente deberá estar
comprometido y saber la forma en la cual la estructura se comporta.
Además tendrá que tener datos históricos y criterios de aceptación para
detectar cualquier incertidumbre en la manera en la cual la estructura
responde a las cargas.
94
4.2.3.2 Pruebas de carga y mediciones físicas
Las pruebas carga deberán ser estáticas y dinámicas además de ser organizadas
y establecidas con cargas normales.
4.2.3.3 Prueba estática de carga
El nivel de servicio del puente es determinado con base en las cargas de tráfico
que representan sus acciones con un periodo de retorno entre una semana y un
año. La intensidad de estas cargas no representará peligro alguno a la estructura.
En la práctica, los efectos de la carga de tráfico en la prueba deben estar entre el
efecto de las cargas de tráfico frecuentes y las tres cuartas partes de los efectos
de las cargas de tráfico definidas en el Eurocódigo EN1991-2.
Para los puentes en los cuales los efectos naturales, tales como la temperatura o
el gradiente térmico son considerables, es necesario asegurar que el efecto
máximo de estos patrones combinados con las cargas de tráfico, no excedan 0.9
veces los efectos de la combinación de diseño.
La prueba estática de carga no solo evaluará a la estructura con una carga
uniformemente distribuida sobre todo el tablero. También se podrá verificar el
comportamiento singular de cada elemento, con la implementación de cargas
locales que provoquen una solicitud considerable en el componente. Por lo tanto,
previo a la prueba de carga se deberá establecer el o los componentes que serán
evaluados, para así instrumentar al puente de una manera eficaz, económica y
suficiente.
4.2.3.4 Organización de la prueba por el director del proyecto
95
En la mayoría de ocasiones, la prueba de carga sólo es usada como último
recurso para monitorear y/o probar la respuesta de la estructura a solicitaciones
conocidas cuando un nuevo puente es construido. (2)
Las pruebas de carga sólo podrán ser ejecutadas cuanto el tablero del puente
cuente con capa de rodadura y un sistema impermeabilizante que lo proteja de
cualquier daño; la capacidad de los materiales sean conocidos y por último, que
los apoyos estén verificados y ajustados.
En caso de estructuras en concreto, se deberá verificar que el material cuente con
la edad suficiente al momento de la prueba. Ésta no se podrá ejecutar antes de 28
días contados a partir de que el último concreto haya sido desencofrado. Además
se deberá verificar su resistencia a esta edad, comprobándose que a la fecha de
la prueba, la sección cuenta con la capacidad suficiente de resistir las cargas a las
que fue diseñada.
El contratista deberá realizar un protocolo de prueba de carga, estipulando no solo
la carga que se implementará sino también el cronograma de la prueba.
Consideraciones como la inspección visual, el registro detallado de la prueba será
responsabilidad del director del proyecto. Del mismo modo, la interpretación de los
resultados será también su responsabilidad sin embargo ésta deberá ser con la
presencia del contratista.
A excepción de una emergencia, el cliente no deberá recibir el puente sin la
aceptación o visto bueno por parte del contratista, director del proyecto y él mismo.
4.2.3.5 Notas de cálculo de la prueba y los análisis de los resultados
El cálculo al cual se debe someter el puente no comprobará el esfuerzo último de
la estructura sino que ésta funcione de una manera óptima. Consecuentemente,
las hipótesis usadas en la evaluación de la capacidad de carga no deberán ser
96
conservadoras, pero si, realistas. Para lograr esto, todos los coeficientes,
parámetros y consideraciones especiales se deberán ajustar de la mejor forma.
Es necesario el cálculo completo del puente con base en hipótesis realistas que
permitan obtener el estado que se prevé. No obstante, se acepta una
incertidumbre o inconsistencia del 10% con respecto a los valores teóricos
esperados.
4.2.3.5.1 Notas de cálculo de la prueba estática
Las notas de cálculo deberán ser consignadas por el contratista, y deberán incluir:
1. Descripción de las características más relevantes de la estructura.
2. Descripción de cada una de las hipótesis asumidas para el cálculo de la
capacidad analítica del puente.
3. Descripción de las fases o estados de carga.
4. Los resultados teóricos y/o esperados.
4.2.3.5.2 Antes de la prueba
Previo a la prueba se deberá considerar lo siguiente:
1. Cálculo de cada estado de carga.
2. Cálculo de los efectos provocados por las cargas de tráfico frecuentes.
3. El impacto de factores naturales en la estructura, tales como la temperatura
y el gradiente térmico.
4. Criterios de aceptación, para la recepción de la estructura.
5. Organización y localización de las posiciones de cada camión para la
prueba de carga.
6. Organización y replanteo de las líneas de influencia afectadas por cada
carga.
97
7. Cualquier consideración de los efectos dinámicos que pueda tener la
estructura, con su respectiva explicación.
4.2.3.5.3 Después de la prueba
Después de realizada la prueba de carga se deberá considerar lo siguiente:
1. Verificación de los resultados experimentales y teóricos, además de
explicar las divergencias entre ellas.
2. Si es necesario, recalibrar el modelo estructural para tener un registro
realista del estado actual del puente.
4.2.3.6 Presentación de los resultados
Los estados de carga y las observaciones cuantitativas y cualitativas deberán ser
presentados en un reporte realizado por la entidad responsable de la ejecución de
la prueba de carga. Este reporte, se deberán considerar las siguientes
consideraciones:
1. Protocolo de la prueba de carga: Secuencia de carga, deformaciones
esperadas, observaciones especiales, tiempos de carga, etc.
2. Características de la carga: Tipo de vehículo, peso bruto, peso por eje y la
distancia entre ellos.
3. Instrumentación usada en la prueba, dejando explicito la precisión del
equipo.
4. Inspección visual.
5. Condiciones en las cuales se realizó la prueba: Temperatura, hora,
gradiente térmico, viento, etc.
98
Cabe resaltar que las especificaciones francesas, no sólo estipulan pruebas de
carga en puentes vehiculares sino también en puentes peatonales. Las
consideraciones a emplear son exactamente las mismas, con la diferencia de que
la carga empleada para la ejecución de la prueba estática se hará mediante
cargas que simulen las solicitaciones a las cuales la estructura será sometida (Ver
Figura Nº 4-8).
Figura Nº 4-8. Prueba estática en un puente peatonal. Fuente: (2)
99
METODOLOGIA
CAPACIDAD DE CARGA ANALITICA
EVALUACIÓN DE CARGAS
Carga muerta DW
Carga viva e impacto
Carga muerta DC
RESISTENCIA
Flexion
Cortante
FACTOR DE CLASIFICACIÓN
Inventario
Operación
Cargas Legales
PRUEBA DE CARGA
ELABORACION DE PROTOCOLO
Inspección visual, ensayos y levantamiento geométrico
Generalidades y
descripcion.
Desarrollo de la prueba
Cargas de diseño Tren de carga
Procedimiento de carga y descarga
Valores de deformación
esperados
Valores de momento esperados.
Sistemas de medición
Criterios de aceptación
Observación y comentarios
EJECUCION DE LA PRUEBA
Deformaciones obtenidas
FACTOR DE CLASIFICACION
AJUSTADO
CAPACIDAD DE CARGA REAL DE LA
ESTRUCTURA
5 M E T O D O L O G I A
Se presenta a continuación un organigrama con la metodología propuesta basada
en el estudio de los antecedentes y el marco teórico antes explicados.
Organigrama 5-1. Metodología propuesta. Fuente: Propia
100
5 . 1 C a p a c i d a d d e c a r g a a n a l í t i c a
A continuación se hace una descripción de cada una de las etapas propuestas en
el anterior organigrama
5.1.1 Evaluación de cargas
En esta sección se debe evaluar todas las cargas que influyen en el
comportamiento de la estructura tales como la muerta, viva e impacto.
5.1.1.1 Evaluación de carga muerta DC
Para la evaluación de la carga muerta “DC”, se deben tener en cuenta todas las
cargas permanentes que ejercen efectos sobre la superestructura del puente
como por ejemplo el peso de: vigas, losa, barandas, barreras, andenes, bordillos,
etc. Éstas deben ser calculadas con base en el levantamiento geométrico del
puente.
5.1.1.2 Evaluación de carga muerta DW
En la evaluación de la carga muerta correspondiente a DW, únicamente se deberá
tener en cuenta el peso que ejerce la capa de rodadura sobre el tablero de la
estructura. Éste se deberá calcular conforme a las características establecidas en
los planos “as built” y/o memorias de cálculo apoyadas en la inspección visual
realizada en campo.
5.1.1.3 Evaluación de carga viva e impacto
a) Factor de distribución de momento ( ) y cortante ( ).
101
Se deberán determinar los factores, con base en las memorias de cálculo y en el
levantamiento geométrico de la estructura.
Para determinar el factor de distribución de momento es necesario evaluar dos
hipótesis. La primera supone que únicamente un carril del puente está cargado
( ), y la segunda, que dos o más lo están ( ). Evaluadas las dos hipótesis, se
compararán determinando la mayor de ellas, para así obtener el factor .
El análisis del factor de distribución de cortante es igual al anteriormente es
expuesto, la única diferencia radica en que se emplean las ecuaciones E 5-3 y E
5-4 para determinar los parámetros y respectivamente.
A continuación se presentan las ecuaciones que determinan los parámetros
previamente descritos.
(
)
(
)
(
)
E 5-1
(
)
(
)
(
)
E 5-2
E 5-3
(
)
E 5-4
Donde:
102
= Separación entre vigas
= Luz del puente
= Espesor de la losa
= Rigidez longitudinal
( )
E 5-5
= Relación entre el módulo de elasticidad del material de la losa con respecto al
de la viga
= Área de la viga
= Inercia de la viga
= Eje neutro de la sección
b) Impacto
Según la actual norma colombiana de diseño de puentes (17), se debe considerar
un factor de amplificación de carga viva del 33% debido al efecto del impacto de
los vehículos al transitar sobre la estructura. Sin embargo si se necesita calcular
éste factor con el código colombiano de diseño sísmico de puentes “CCDSP-95”
se debe usar la siguiente ecuación:
E 5-6
Donde:
= Luz del puente
= Impacto
103
5.1.1.3.1 Máximos efectos de carga viva
Para evaluar los máximos efectos que produce la carga viva en un puente que se
haya construido antes del año 2014, se debe utilizar el camión C40-95 o una carga
distribuida más una puntual (Ver Figura Nº 5-1 y Figura Nº 5-2), estipulados en el
Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes del año 1995 “CCDSP-95”
(18). Además se deberá comprobar si la estructura cuenta con la capacidad
suficiente de resistir las nuevas solicitaciones de la Norma Colombiana de Diseño
de Puentes del año 2014 (17), cuya carga distribuida, camión y tándem de diseño
se pueden ver en la Figura Nº 5-3, Figura Nº 5-4 y Figura Nº 5-5
respectivamente. Si la estructura es diseñada con base en ésta norma, no se
deberá utilizar el CCDSP-95.
Nota: En caso en que no se consigan planos de construcción y/o memorias de
cálculo, con los cuales se pueda determinar el año en que la estructura fue
construida, se utilizará únicamente la actual norma colombiana (17) para evaluar
los máximos efectos que produce la carga viva.
A continuación se presentan las dimensiones y cargas de cada camión de diseño
según su normativa.
a) Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes del año 1995 “CCDSP-
95”
El tipo de carga que se emplea en la evaluación depende de la luz del puente. En
la Tabla 5-1 se muestra el tipo de configuración que debe tener la carga, tanto
para el análisis de momento como de cortante.
104
Longitud (m) Carga
Momento
L < 28,0 Camión C40-95
28.0 ≤ L ≤ 100
P = 12.0 Ton
L ≥ 100 P = 12.0 Ton
Cortante
L < 24,0 Camión C40-95
24.0 ≤ L ≤ 134
P = 16.0 Ton
L ≥ 134 P = 16.0 Ton
Tabla 5-1 Cargas C40-95. Fuente: Propia
1. Camión de diseño:
Figura Nº 5-1 Camión C40-95. Fuente: (19)
2. Carga distribuida + carga puntual:
Figura Nº 5-2 Carga distribuida + carga puntual. Fuente: (19)
105
b) Norma colombiana de diseño de puentes del año 2014 “CCP-2014”:
Se debe evaluar el puente con el camión de diseño (Ver Figura Nº 5-4) + carril de
diseño (Ver Figura Nº 5-5) y tándem de diseño (Ver Figura Nº 5-3) + carril de
diseño. Seguido a esto, se debe elegir la configuración más crítica para la
estructura, es decir la mayor entre las dos hipótesis.
1. Tandem de diseño:
Figura Nº 5-3 Tandem de diseño CC-14 (12.5 Ton por eje). Fuente: (17)
2. Camión de diseño:
Figura Nº 5-4 Camión de diseño CC-14. Fuente: (17)
106
3. Carga distribuida:
Figura Nº 5-5 Carga distribuida CC-14. Fuente: (17)
Se determinarán los esfuerzos producidos por la carga de diseño, “ ( ) y
( )” (momento y cortante), para luego afectarlos con los factores de
distribución específicos (Ver numeral 5.1.1.3) y así hallar el máximo efecto
producido por la carga viga
( )
E 5-7
( )
E 5-8
Donde:
= Máximo efecto de carga viva “momento”.
( ) = Momento generado por la carga de diseño.
= Factor de distribución de momento.
= Máximo efecto de carga viva “cortante” en la distancia crítica.
( ) = Cortante generado por la carga de diseño en la distancia crítica.
= Factor de distribución de cortante.
La distancia crítica se calculará con base en la siguiente ecuación:
E 5-9
107
Donde:
= Profundidad efectiva al corte
El factor será el mayor resultado de las siguientes dos ecuaciones:
E 5-10
E 5-11
Donde:
= Altura efectiva, (Ver E 5-13).
= Ángulo de inclinación
E 5-12
Donde:
= Altura
= Recubrimiento de la viga
5.1.2 Resistencia
Se debe evaluar la resistencia nominal a flexión y al corte. Estos parámetros
afectan directamente al factor de clasificación teórico de la estructura, determinado
en el numeral 5.1.3.
A continuación se expone la forma en la que estos parámetros se deben calcular.
5.1.2.1 Resistencia a la flexión nominal
El momento nominal se determinará con base en los planos “as built” y/o
memorias de cálculo del puente apoyadas en mediciones realizadas directamente
sobre la estructura.
A continuación se expone la ecuación que determinará este parámetro.
108
(
)
E 5-13
Donde: = Área de acero
= Esfuerzo de fluencia del acero
= Altura efectiva de la viga
= Distancia al eje neutro afectada por el parámetro .
= Resistencia a la compresión
= Luz del puente
= Espesor de la losa
= Ancho de la viga
= Separación entre vigas
= Ancho del ala efectivo, el menor de , o
)
( )
) )
( )
E 5-14
E 5-15
E 5-16
5.1.2.1.1 Cuantía mínima
Para comprobar si el refuerzo es mayor al mínimo requerido, se deberá comprobar
la hipótesis No. 1. Si el resultado no es favorable, se evaluara la No. 2. En caso de
109
no cumplirse ninguna, se concluirá que la sección no tiene el refuerzo suficiente
para resistir las cargas.
Hipótesis No. 1
Hipótesis No. 2
Donde:
= Resistencia a la flexión multiplicada por el factor
= Momento último.
= Momento de agrietamiento.
E 5-17
( )
E 5-18
E 5-19
Donde:
= Factor de mayoración
= Momento generado por la carga muerta
= Módulo de sección sin fisurar
= Módulo de ruptura
= Eje neutro de la sección completa
110
E 5-20
5.1.2.1.2 Cuantía máxima
Se comprobará si la sección tiene la tensión controlada verificando el factor , el
cual tendrá que ser mayor a 0.005.
E 5-21
Donde:
= 0.003
= Distancia al eje neutro
=Altura efectiva de la viga
5.1.2.2 Resistencia nominal al corte
La evaluación de dos hipótesis es necesaria. El mayor resultado proveniente de
las ecuaciones E 5-22 y E 5-23 se adoptará como la resistencia nominal al corte
de la sección.
E 5-22
E 5-23
Donde: = Ancho de la viga
= Profundidad efectiva al corte
= Resistencia a la compresión del concreto
= 2.0
111
= Separación de los flejes
= Área del refuerzo al corte
= Esfuerzo de fluencia del acero
= Profundidad efectiva al corte
√
E 5-24
E 5-25
5.1.3 Factor de clasificación teórico
El factor de clasificación teórico que tendrá la estructura, será el resultado de la
ecuación E 5-26, cuyo valor determinará si el puente cuenta con la capacidad de
carga analítica para soportar las cargas de diseño (RF mayor o igual a 1.0). Si
éste valor es menor a 1.0, el puente no tendrá la capacidad adecuada para resistir
las cargas de diseño.
( )( )( ) ( )( ) ( )( )
( )( )
Fuente (13)
E 5-26
Donde: = Factor de condición
= Factor de sistema
= Factor de resistencia
= Resistencia nominal al corte o momento, dependiendo la característica
evaluada.
= Factor de mayoración de carga muerta DC (Ver Tabla 4-2).
112
= Factor de mayoración de carga muerta DW (Ver Tabla 4-2).
= Factor de mayoración de carga viva (Ver Tabla 4-2).
A continuación se explica cada uno de los factores previamente enunciados, cuyos
valores dependen de parámetros tales como: estado real del puente, redundancia
del sistema estructural, estado límite evaluado, entre otros.
a) = Factor de condición
Es una variable relacionada con el estado de deterioro del puente, el cual se
determinará de acuerdo a la calificación general proveniente de la escala de
clasificación de SIPUCOL establecida por (20). La Tabla 5-2 refleja los valores del
factor según su calificación.
Calificación del puente según SIPUCOL Factor de condición
0 y 1 (Bueno) 1.00
2 y 3 (Regular) 0.95
4, 5 y ? (Pobre) 0.85
Tabla 5-2 Factor de condición con base a SIPUCOL. Fuente: Propia
Nota: La norma AASHTO LRFD, no especifica concretamente el estado real de la
estructura, por lo que otorga una puntuación de 1.00, 0.95 y 0.85 al buen, regular y
pobre estado del puente respectivamente. (Ver Tabla 4-3). Esta evaluación se
deja a criterio del ingeniero, pues ésta no cuenta con una metodología específica
que califique el estado del puente. Es por esto, que es necesario adoptar la
propuesta por SIPUCOL para determinar el factor de condición.
b) = Factor de sistema
Este parámetro no tiene en cuenta la respuesta de un solo elemento, sino del
conjunto de todos ellos, por lo que el factor evalúa la redundancia que presente el
113
sistema. Éste se clasifica según la eficiencia de la estructura, para transmitir las
cargas mediante todos y cada uno de sus componentes.
Tipo de superestructura
Miembros soldados en dos
vigas/celosía/ puentes en arco.
0.85
Miembros remachados en dos
vigas/celosía/ puentes en arco.
0.90
Miembros cuya sección sea en acero
con agujeros en los extremos en
puentes de celosía.
0.90
Puente de tres vigas con un
espaciamiento entre ellas menor de
1.82 metros
0.85
Puente de cuatro vigas con un
espaciamiento entre ellas menor de
1.22 metros
0.95
Puentes de viga y losa 1.00
Puentes con vigas transversales cuyo
espaciamiento sea mayor a 3.66m y
cuyas vigas longitudinales no sean
continuas
0.85
Sistemas que tengan redundancia
entre las vigas longitudinales y
transversales.
1.00
Tabla 5-3 Factor de sistema según el tipo de estructura. Adaptado de: (12)
c) = Factor LRFD
Éste parámetro tendrá un valor de 0.90 cuando se evalúe a corte y flexión, los
puentes cuyo material principal sea el concreto u hormigón de peso normal.
114
También, si en la revisión de cuantía máxima la sección no cuenta con la tensión
controlada, el factor LRFD será igual a 0.9.
d) Factores de mayoración de carga. .
La estructura deberá analizarse en los estados límites de resistencia, servicio y
fatiga (únicamente para el caso de puentes en acero), en donde los factores de
mayoración de carga muerta, DC y DW varían. Cada parámetro se puede
encontrar en la Tabla 4-2 del presente documento.
El puente deberá ser evaluado en los niveles de inventario y operación, en donde
el factor de mayoración de carga viva , es de 1.75 y 1.35 respectivamente.
Sin embargo, si el factor de clasificación es menor a la unidad (1.0), se deberá
evaluar el parámetro de cargas legales (Ver Tabla 4-2) para establecer la
necesidad de reforzar y/o rehabilitar la estructura.
5 . 2 P r u e b a e s t á t i c a d e c a r g a
Durante esta etapa de la metodología se prueba la estructura mediante la
implementación de cargas reales, representadas por los vehículos que se
sobreponen en la estructura.
5.2.1 Elaboración del protocolo
El protocolo contiene los aspectos principales necesarios para la ejecución de la
prueba de carga. Plasma los pasos y criterios que se deben tener en cuenta para
su ejecución y aceptación o no. Incluye los siguientes aspectos básicos:
Generalidades y descripción global del puente
Inspección visual, ensayos y levantamiento geométrico
Desarrollo de la prueba
Carga de diseño
Tren de carga
Procedimiento de carga y descarga
115
Valores de deformación esperada
Valores de momentos esperados
Sistemas de medición
Criterios de aceptación
Observaciones y comentarios
5.2.1.1 Generalidades y descripción de global del puente
Dentro de las generalidades se deben registrar los datos históricos que se puedan
tener de la estructura, los cuales permitirán desarrollar la evaluación de capacidad,
entre los cuales están (6):
Datos de la geometría en general, como son: longitudes, secciones
transversales, dimensiones, etc.
Condiciones de la estructura.
Información correspondiente al tráfico promedio diario - TPD.
Propiedades mecánicas de los materiales.
También son necesarios los siguientes documentos:
Planos de diseño.
Memorias de calculo
Bitácora de construcción
Ensayos realizados durante el proceso constructivo
Informes de estudios que ya se le hayan realizado, como rehabilitaciones,
diagnósticos, etc.
Pruebas de carga anteriores.
5.2.1.2 Inspección visual
En la inspección visual se plantea la metodología que verifica cada uno de los
elementos de la estructura, es decir, determina el estado en que se encuentra
cada elemento. Esta metodología se basa en el Sistema de Administración de
116
Puentes de Colombia – SIPUCOL la cual se puede consultar en las referencias
(20) y (6).
En ésta, se otorgan puntuaciones a los elementos de acuerdo a su estado actual;
percibirle a simple vista. En la siguiente tabla se muestra la escala base de
calificación de los componentes según SIPUCOL, necesaria para realizar la
inspección visual.
Calificación Descripción
0 Sin daño o con daño insignificante
1 Daño pequeño, pero no se requiere reparación
2 Existe daño, el componente funciona como se diseño
3 Daño significativo, se requiere pronta reparación
4 Daño grave, se necesita inmediata reparación
5 Daño extremo, falla total o riesgo de falla total del componente
? Desconocido
Tabla 5-4 Escala de clasificación de SIPUCOL. Fuente: (6) e (20)
5.2.1.3 Levantamiento geométrico y ensayos
En caso en que no se tengan los planos “as built”, se deberán realizar ensayos
para determinar las especificaciones constructivas (espaciamiento de flejes,
diámetro de las barras de refuerzo, recubrimiento de los hierros, etc.) y
características de los materiales empleados en la construcción de la estructura
(resistencia a la compresión del concreto, módulo de elasticidad, esfuerzo de
fluencia del acero, etc.). Además, se tendrá que realizar un levantamiento
geométrico, en el que se especifiquen todas las medidas de los componentes del
puente, para de esta manera, lograr modelar y evaluar la respuesta del puente
frente a las cargas interpuestas.
117
A continuación se exponen los ensayos recomendados para determinar las
especificaciones constructivas y las características de los materiales empleados
en la construcción de la estructura.
1. Pruebas mecánicas del concreto:
Existen varios ensayos para determinar el módulo de elasticidad y resistencia del
concreto. Se pueden realizar directamente en campo o extraer muestras y ensayar
en el laboratorio. A continuación se presentan los principales ensayos basados en
la referencia (4).
1.1 Resistencia a la compresión:
Objetivo y definición
Con este ensayo es posible determinar la resistencia a la compresión del concreto,
a través de la extracción de una muestra cilíndrica con un taladro que posea
diámetros adecuados de brocas. Este ensayo determina la máxima compresión
que soporta un cilindro en concreto, cuyas dimensiones deben cumplir con las
especificaciones de la norma ASTM C39/C39M.
Equipos y procedimiento
Para realizar éste ensayo es necesario extraer una muestra cilíndrica de la
estructura con un equipo “extractor de núcleos”, el cual, tiene una broca hueca
cortante giratoria con incrustaciones de diamante en sus bordes.
Es necesario contar con:
c) Planta eléctrica
d) Taladro eléctrico con broca y copa que cumpla norma ASTM C42/C42M
e) Pacómetro para la identificación de armaduras
f) Máquina universal
g) Disco de corte para cortar y separar los extremos de los cilindros.
118
Estas muestras serán llevadas al laboratorio para ensayarlas a compresión en la
máquina universal. El procedimiento que debe tener este ensayo, deberá estar
acorde con las normas NSR-10, NTC 673 y ASTM C39/C39M.
Figura Nº 5-6. Extracción de núcleos. Fuente: (4)
Es necesario tener precaución para no romper el acero de refuerzo, utilizando el
detector electrónico de refuerzo. Se recomienda tener en cuenta las siguientes
especificaciones, las cuales están reguladas por la norma ICONTEC-889.
a) El diámetro de la muestra debe ser igual o mayor a tres (3) veces el máximo
tamaño del agregado grueso, pero nunca menor a 10 cm.
b) Los núcleos deben tener preferiblemente una relación de altura-diámetro de
dos. Debido a que existen casos en donde no es sencillo obtener esta relación,
la norma ASTM C42/C42M permite factores de corrección en función de la
esbeltez de la muestra (Ver (4)).
c) Realizar mínimo seis (6) ensayos de cada elemento que se desea analizar,
para así cumplir con los requisitos de la Norma Colombiana Sismo Resistente
(NSR-10).
119
1.2 Determinación del módulo de elasticidad:
Objetivo y definición
El ensayo de resistencia a la compresión de núcleos de concreto, es uno de los
ensayos más reconocidos, en donde se puede obtener el módulo de elasticidad o
módulo de Young del concreto. Éste es un parámetro que caracteriza la respuesta
de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza conocida,
y es uno de los factores más importantes en el momento de evaluar las
deformaciones de una estructura en concreto.
Equipos y procedimiento
Los equipos necesarios son:
a) Máquina universal
b) Extensómetro
c) Compresómetro
La norma ASTM C469, establece las siguientes etapas para la correcta realización
de este ensayo.
a) Disponer de un cuarto de curado con humedad constante, para así, evitar
cambios de temperatura y manteniéndolos cubiertos.
b) Ajustar los equipos en la máquina universal para que queden totalmente
verticales, asegurándose de calibrar los micrómetros en cero (0). Se debe
aplicar una primera precarga del 10 a 15% del promedio de la resistencia a
compresión obtenida de otros núcleos similares.
c) Aplicar una segunda precarga hasta la misma resistencia anterior, así se
registrarán cargas y deformaciones cada tonelada hasta 5 toneladas. Seguido
a esto, se deberá incrementar la carga cada 5 toneladas, hasta llegar a un 60%
del esfuerzo máximo.
d) Obtener la curva esfuerzo-deformación del concreto.
120
Se recomienda consultar con más detalle el procedimiento y los equipos
necesarios, en la norma NSR -10- NTC 4025.
1.3 Prueba de extracción de pernos
Objetivo y definición
Este ensayo se basa en el principio de que la resistencia a la compresión del
concreto está correlacionada con la fuerza necesaria para sacar un perno dentro
del concreto, condicionando a que la forma de falla tenga un ángulo específico.
Con este ensayo es posible determinar la resistencia a la compresión de forma
indirecta, mediante la extracción de un perno en el concreto.
Equipos y procedimiento
Se recomienda emplear las especificaciones y procedimientos de la norma ASTM
C900. Para asegurar la correcta geometría de la fractura, se debe usar un perno
especial y un dispositivo cónico de presión radial circular.
Figura Nº 5-7. Equipo de extracción de pernos. Fuente: (4)
La superficie del concreto en donde se vaya a realizar la prueba debe ser
totalmente plana. Además, se debe hacer un agujero de 18.4 mm perpendicular a
la superficie.
121
En la realización de la prueba se debe tener precaución en la selección adecuada
del área representativa que se desea estudiar y en el engraso del inserto antes de
su implementación, el cual no debe hacerse mediante rotación. Se debe garantizar
que la superficie de falla sea cónica ya que, en caso contrario, la prueba no será
válida. Es necesario realizar al menos tres (3) ensayos.
1.4 Prueba de martillo de rebote o esclerómetro.
Objetivo y definición
Este ensayo se encuentra regularizado en la norma ASTM C803 /C803M, y se
considera un procedimiento netamente comparativo, cuya utilidad principal es
determinar la uniformidad del concreto o compararlo con otro, pero nunca para
determinar su resistencia (4), ya que ésta se basa en curvas de calibración con
limitada precisión.
Equipos y procedimiento
Esta es una prueba complementaria a la del ultrasonido y al de extracción de
núcleos.
Consiste en un émbolo que recibe el impacto de una pieza de acero impulsada por
un resorte. Este impacto se transmite a la superficie del hormigón y debido a la
resistencia de éste, la pieza rebota y el desplazamiento máximo es registrado en
una escala lineal fija en el instrumento.
Figura Nº 5-8. Ensayo a compresión del concreto con esclerómetro. Fuente: (4)
122
1.5 Prueba del pulso ultrasónico
Objetivo y definición
La norma ASTM C597 regula éste procedimiento. Este ensayo se basa en que las
ondas sonoras se pueden propagar en cualquier medio donde existan átomos o
moléculas (4). Se relacionan las características mecánicas y la calidad del
hormigón con la velocidad de propagación de onda, la cual depende de la longitud
de la entre los transductores y el tiempo que el pulso eléctrico tarda en recorrer la
trayectoria.
Equipos y procedimiento
Para realizar este ensayo es necesario utilizar un equipo ultrasónico que pueda
trabajar con pulso-eco de tipo reflexión (4). (Ver Figura Nº 5-9)
Figura Nº 5-9. Equipo para medición de ondas. Fuente: (4)
Las áreas de barrido deberán ser traslapadas en un 15% en cada paso con una
velocidad de barrido no superior a los 150 mm/s, para así asegurar la inspección
completa de la pieza forjada. Ya que este método se puede utilizar para diferentes
tipos de materiales, si es necesario, el equipo se debe calibrar respecto a la
rugosidad de la superficie. En el concreto este ensayo puede ser de:
a) Transmisión directa: los terminales del emisor y el receptor son colocados en
superficies opuestas del concreto
123
b) Transmisión semi-directa: los terminales son ubicados en superficies
adyacentes.
c) Transmisión indirecta o superficial: los terminales son colocados en la misma
superficie del concreto.
2. Ensayos sobre acero de refuerzo o acero estructural.
2.1 Determinación de la profundidad y localización de armaduras de refuerzo
Objetivo y definición
Consiste en determinar el espesor del concreto que sirve para recubrir el acero y
de sus características, lo cual incluye determinar:
a) El número de barras longitudinales, incluyendo el diámetro.
b) El diámetro de estribos o flejes.
c) Si las barras son corrugadas o lisas, para así estimar la calidad y la época de
la construcción.
d) La separación entre barras longitudinales y flejes transversales.
e) El número de capas de refuerzo (para vigas) y si son individuales o paquetes.
f) Si hay cables de preesforzado
g) Si hay barras inclinadas que sirven de refuerzo cortante
Equipos y procedimiento
Para determinar el acero de refuerzo de estructuras que no cuenten con planos
“As built”, existen diversos equipos para realizar ensayos no destructivos. Algunas
universidades y laboratorios tienen esos instrumentos para localizar, por ejemplo,
los flejes, y algunos más avanzados que pueden determinar el diámetro de las
barras. Según (4), se debe emplear un detector de refuerzo que se basa en los
cambios en las líneas de campos magnéticos/corrientes de Foucault. Entre mayor
sea el recubrimiento más se incrementa el error del equipo. La empresa Hilti
124
ofrece un equipo denominado “Ferroscan” que puede determinar profundidades de
recubrimiento hasta de 16 cm y diámetros de refuerzo hasta de 2.5”.
Sin embargo, se recomienda hacer siempre una remoción parcial del concreto,
utilizando taladros y calibradores para así obtener directamente las medidas de las
barras de acero de refuerzo.
5.2.1.4 Desarrollo de la prueba de carga
El desarrollo de la prueba de carga será descrito por la empresa encargada de la
misma, teniendo en cuenta las normativas vigentes y el estado actual de la
estructura. Para ello se deben tener en cuenta las siguientes etapas:
5.2.1.4.1 Cargas de diseño
El ente encargado de realizar la prueba estática de carga (concesionario,
gobierno, u otro), decidirá la norma que se va a usar para configurar la carga de
cada una de las volquetas. No obstante, se recomienda emplear la carga viva de
diseño estipulada en los planos “as built” y/o memorias de cálculo; y en caso de
que no se pueda contar con ésta información, se utilizará el camión de diseño
(CC-14) de la nueva Norma Colombiana de Puentes. (17), cuyas características se
encuentran en el numeral 5.1.1.3.1 del presente documento.
5.2.1.4.2 Tren de carga
El tipo de carga o lastre se basará en diferentes estados o combinaciones
mediante un número determinado de volquetas cuya configuración de ejes y
cargas deben ser reportadas en el protocolo de la prueba. Estos valores se
utilizarán para realizar el modelo estructural, el cual permitirá hallar las
deformaciones y momentos esperados.
125
Cabe resaltar que la carga utilizada no deberá superar el 70% de la carga de
diseño (Ver numeral 4.2.2.4.1).
5.2.1.4.2.1 Estados de carga de la prueba estática
De acuerdo con las recomendaciones del documento (21), se deben tener en
cuenta medidas elementales de precaución. Una de ellas es que la carga se
aplique de forma progresiva en varias fases, y así, mediante la medida simultánea
de la respuesta de la estructura en las zonas críticas, se pueda tener conocimiento
de que el comportamiento del puente es el correcto y se esté, por tanto, dentro de
las condiciones adecuadas de seguridad.
Se debe establecer el número de fases de carga necesarias para evaluar la
estructura de la mejor manera posible, e ilustrar en el protocolo de la prueba, la
ubicación que las volquetas deben tener.
5.2.1.4.3 Procedimiento de carga y descarga
Los movimientos de las volquetas cargadas deben ser lentos con velocidad
máxima de 10 Km/h al ingreso y salida del puente, para así evitar efectos
dinámicos sobre la estructura. Estas se ubicarán de acuerdo a las posiciones
definidas previamente en el protocolo de prueba.
A continuación se transcriben los criterios de estabilización establecidos en el
documento (21), que deben ser empleados para la prueba estática de carga.
1. El tiempo que se debe mantener la carga total correspondiente a un cierto
estado de carga, vendrá determinado por el criterio de estabilización de las
medidas, que se indica a continuación.
2. Los valores de la respuesta de la estructura que se consideren (flechas,
giros, deformaciones unitarias, etc.) se denominarán medidas y se
obtendrán en cada momento como diferencia entre las lecturas de los
126
aparatos en ese instante i y las lecturas iniciales inmediatamente antes de
la colación de la carga correspondiente a cada estado.
3. Una vez colocado en su posición prevista el tren de carga, se realizará una
medida de la respuesta instantánea de la estructura en los instrumentos
de medida situados en los puntos significativos.
4. Transcurridos 10 minutos se obtendrá una nueva medida en dichos puntos
”. Si las diferencias entre los nuevos valores de la respuesta y los
instantáneos son inferiores al 5% de éstos:
E 5-27
o bien son del mismo orden de la precisión de los aparatos de medida, se
considerará estabilizado el proceso de carga
5. Si no se satisface la condición anterior, se mantendrá la carga durante un
nuevo intervalo de 10 minutos, considerándose cumplido el requisito de
estabilización si, realizada la medida al final del mismo ”, la diferencia de
medidas correspondiente a este intervalo es inferior al 20% de la diferencia
de medidas correspondiente al intervalo anterior, o bien es del orden de
magnitud de la precisión de los aparatos de medida:
( ) E 5-28
6. Si esto no se cumpliera, se procederá, a juicio del Ingeniero Director de la
prueba a mantener la carga durante un intervalo, o a efectuar la descarga.
Una vez alcanzada la estabilización, se tomarán las lecturas finales en
todos los puntos de medida. Después de descargar totalmente la
estructura, se esperará a que los valores de las medidas estén
estabilizados, aplicando el mismo criterio del proceso de carga.
127
En primera instancia, se tomarán las primeras lecturas con el puente descargado.
Se recomienda realizar las lecturas dos veces para eliminar posibles errores y
comprobar la adecuación y buen funcionamiento de la instrumentación. La entrada
de cualquier vehículo sobre el tablero se podrá realizar únicamente cuando el
camión que lo precede se haya situado en la ubicación prevista y haya apagado
el motor.
Se debe descargar el tablero antes de que se dé por iniciada cada fase de carga,
es decir, cuando las mediciones de las diferentes etapas se hayan culminado.
5.2.1.4.4 Criterio de remanencia
Una vez finalizadas todas las fases de carga se procede a descargar el tablero, y
la diferencia entre los valores de la deflexión registrados al finalizar la descarga y
antes del inicio de la prueba se define como valor remanente, el cual se explica
con mayor detalle en el numeral 4.2.2.4.3.3 del presente documento.
5.2.1.4.5 Valores de deformación esperados
Para esta parte es necesario realizar un modelo estructural del puente con
herramientas computacionales tales como: SAP 2000, ANSYS, CSI Bridge u otros
programas, para así representar las fases de carga adoptadas en el numeral
5.2.1.4.2.1, y de esta manera estimar las deformaciones en los elementos
principales del puente. En la Figura Nº 5-10 se muestra un ejemplo de la
ubicación de las cargas estipuladas en un modelo estructural realizado con el
programa CSI Bridge.
En caso de que no se cuente planos “as built” y/o memorias de cálculo, el
Ingeniero Estructural deberá dejar registrado en las observaciones y comentarios
128
del protocolo, todas las consideraciones que adoptó para la elaboración del
modelo. Esto para poder recalibrar el modelo estructural, si así lo requiere.
Figura Nº 5-10 Estado de carga reflejado en un modelo estructural. Fuente: (19)
5.2.1.4.6 Valores de momentos esperados
El encargado de realizar el modelo estructural del puente, deberá dejar expresada
la relación entre la magnitud de carga impuesta en la prueba estática con respecto
a la de diseño para cada una de las fases programadas en numeral 5.2.1.4.2.1 del
presente documento. Ésta relación determinará el parámetro de la Tabla 4-1, el
cual afecta directamente al factor de clasificación teórico del elemento.
Se recomienda que la magnitud de la prueba de carga no sobrepase el 70% de la
carga viva de diseño (21) para así, tener un margen de seguridad y evitar
problemas estructurales que inclusive puedan llegar provocar el desplome de la
estructura.
5.2.1.4.7 Sistemas de medición
Los instrumentos de medida de acuerdo al documento (21) deberán haber
probado su aplicabilidad y confiabilidad en pruebas similares. Antes de determinar
129
cualquier medida, se deberá comprobar que todos los aparatos se encuentran
calibrados y que tengan una sensibilidad mínima del 5% con respecto a los
valores más pequeños esperados en cada fase de carga. Es recomendable que el
equipo de medición permita registrar en tiempo real las medidas que se requieran.
Característica obligatoria en el caso de puentes cuya luz sea mayor a 60 metros.
(3).
Las medidas deberán realizarse en las posiciones establecidas y en cantidad
suficiente para evaluar correctamente el comportamiento de la estructura.
El número de puntos de medida en cada sección será en función del ancho del
tablero y de la tipología del puente. En el caso de puentes de viga y losa, se
recomienda disponer de al menos 3 puntos, uno en la viga central y uno en cada
elemento exterior.
Se recomienda realizar labores de medición a través instrumentos especializados.
Para de esta forma, tener certeza de los valores obtenidos en campo, mediante la
ejecución de la prueba estática de carga.
5.2.1.4.7.1 Instrumentación
Existen diferentes instrumentos que se pueden utilizar para medir las diferentes
magnitudes físicas dadas durante la prueba de carga como son deformaciones,
desplazamientos, aceleraciones, etc. A continuación se describen de forma
general algunos instrumentos usualmente utilizados en la práctica.
5.2.1.4.7.1.1 Medición de la deformación
Esta es la magnitud que permite ver la tensión existente en un elemento de la
estructura, su medición está dada por varios instrumentos, entre los cuales se
destacan:
Extensores mecánicos
130
Galgas o bandas extensométricas (Strain Gages)
Adaptación de transductores de desplazamientos
Fibra óptica
5.2.1.4.7.1.1.1 Extensores mecánicos
Estos operan apoyándose sobre la estructura en dos puntos fijos que constituyen
los extremos de la base de medida, donde se medirá la variación de longitud. Los
más utilizados en la actualidad son los denominados de amplificación mecánica
sencilla, que constan de un pivote fijo y otro móvil, tomando la medida, mediante
un reloj micrométrico, del movimiento de uno respecto de otro. Las mediciones
posibles con este instrumento oscilan entre 5 a 200 cm. Características favorables
con respecto a su uso, se encuentran: facilidad de uso en hormigón debido a sus
bases, confiabilidad en medidas a largo plazo, varios puntos de medición a la vez,
ligero, etc.
Figura Nº 5-11 Extensómetro. Fuente: (21)
131
5.2.1.4.7.1.1.2 Galgas extensométricas (Strain Gages)
Según el documento (21), se conocen con el nombre de galgas o bandas
extensométricas (Strain Gages) a toda una serie de componentes electrónicos del
tipo transductores de deformación basados en la variación de la resistencia
eléctrica de un hilo conductor al ser sometido a una deformación. Para tener un
funcionamiento idóneo como transductor de deformación, el Strain Gage debe
pegarse firmemente a la estructura para que las deformaciones se transmitan de
forma satisfactoria al hilo conductor. (Ver Figura Nº 5-12)
Ventajas: Buena respuesta frente a efectos dinámicos, bajo costo, precisión en la
medida, uso en espacios reducidos, etc.
Desventajas: Baja sensibilidad ante la presencia de humedad, base pequeña, etc.
Figura Nº 5-12 Strain Gage ubicado en el elemento a medir. Fuente: (22)
5.2.1.4.7.1.2 Medición del desplazamiento
Existen dos tipos de instrumentos que permiten la medición del desplazamiento.
Están los que miden directamente basados en métodos ópticos o mecánicos, y
los que convierten la variación del desplazamiento en modificaciones de la
magnitud eléctrica.
132
5.2.1.4.7.1.2.1 Instrumentos basados en métodos ópticos y mecánicos.
Hay diversos aparatos que permiten la medición de esta magnitud, como los
topográficos, flexómetros y sistemas basados en láser.
Los teodolitos y niveles (instrumentos topográficos) permiten conocer
los desplazamientos dados por una estructura entre dos estados de carga. Los
primeros determinan la medida de cualquier tipo de desplazamiento mientras
que los segundos, proporcionarán exclusivamente los desplazamientos verticales.
Hoy día se encuentran varios sistemas basados en la implementación de láser
para la medición y registro de desplazamientos. En algunos modelos el registro
del desplazamiento únicamente se puede dar en una sola dirección (verticales),
mientras que otros tienen la posibilidad de medir cualquier tipo de
desplazamiento.
Los sistemas laser funcionan mediante un punto fijo en donde se instala el emisor
de luz, el cual se dirige hacia un segundo punto móvil en donde se desea medir el
desplazamiento (Ver Figura Nº 5-13)
Figura Nº 5-13 Telémetro laser. Fuente: Propia
133
5.2.1.4.7.1.2.1.1 Sistema de medición topográfico
A través de un nivel digital con precisión adecuada para medir todas y cada una
de las deflexiones de la estructura en los puntos establecidos, y sin uso de una
estación, se debe realizar el levantamiento geométrico y topográfico del tablero del
puente con el fin de obtener su condición inicial, verificando las posiciones reales
de los elementos principales y sobretodo de sus elementos de soporte. Se
deberán determinar las deformaciones permanentes de la estructura, generadas
por el peso propio, así como las desviaciones en sus elementos producto del
proceso constructivo para establecer la condición “0” o de arranque de la prueba
estática.
Mediante el uso de equipos de topografía se verificará las deflexiones verticales
del tablero del puente en los puntos definidos en el numeral 5.2.1.4.2.1. Del mismo
modo se recomienda medir con topografía la condición de recuperación de la
estructura para cada fase o estado de carga.
5.2.1.4.7.1.2.2 Transductores de desplazamiento de variación eléctrica
Están lo de tipo resistivos que utilizan galgas extenso métricas de resistencia
eléctrica que son colocadas en elementos de la estructura para poder determinar
el desplazamiento (Ver Figura Nº 5-12).
Los hay también de tipo inductivo como el LVDT, el cual se explica a
continuación:
5.2.1.4.7.1.2.3 LVDT
Según la referencia (21), éste sistema se basa en la variación de las
características magnéticas de un circuito eléctrico en función del desplazamiento
de un núcleo metálico. Uno de los transductores inductivos más utilizados en el
LVDT (Ver Figura Nº 5-14). Las ventajas son, entre otras, la ausencia de
134
rozamiento entre el núcleo y las bobinas debido a la no existencia del contacto
físico, la hermeticidad de los devanados, la elevada resolución y la insensibilidad a
movimientos transversales.
Otálora (22), afirman que este instrumento sirve para medir desplazamiento, al
unir de forma mecánica un eje a un contacto móvil que se desplaza sobre un
elemento resistivo. De esta manera se obtiene el divisor resistivo que es
proporcional al desplazamiento del eje de sensor.
Figura Nº 5-14 LVDT hilo empleado en una prueba de carga. Fuente: (22)
Existen los de tipos capacitivos, los cuales se basan en la variación de la
capacidad de un condensador eléctrico al momento de variar la distancia que hay
entre placas o la superficie. Estos tienen gran precisión pero no son idóneos para
grandes magnitudes.
135
5.2.1.4.7.1.3 Medición del giro
Un instrumento usual para medición de giro es el clinómetro. Los más comunes
son los de lectura manual con burbuja. También los hay de lectura automática, los
cuales se basan en propiedades capacitivas (Ver Figura Nº 5-15).
Figura Nº 5-15 Clinómetro capacitivo. Fuente: (21)
5.2.1.4.7.1.4 Medición de la aceleración
Los transductores (acelerómetros) funcionan de tal manera que miden de forma
indirecta la aceleración, tomando las medidas producidas por las fuerzas de
inercia que se evidencian en una pequeña masa presente en el instrumento. Los
grupos de acelerómetros se anuncian a continuación:
Basados en bandas extensométricas
Basado en el LVDT
Piezoeléctricos
Independientemente del tipo de acelerómetro, todos tienen un mismo principio.
Constan de una masa, un elemento tipo muelle y un elemento amortiguador de
tipo viscoso (ver Figura Nº 5-16).
136
Figura Nº 5-16 Servoacelerómetro encapsulado. Fuente: (21)
5.2.1.4.8 Criterios de aceptación
Se considerara satisfactoria la metodología propuesta cuando cumpla, además de
lo estipulado en el numeral Procedimiento de carga y descarga5.2.1.4.3 del
presente documento, las siguientes condiciones extraídas del documento (3).
Las flechas máximas adquiridas después de estabilizada de la estructura,
no deben superar en más de un 10% a los valores previstos duran las
etapas anteriores. Este mismo valor será tomado para puentes en
estructura metálica. Cuando se refiera a puentes de concreto simple o
mixto, el porcentaje deberá ser del 15 %.
En el caso en que se realicen pruebas simplificadas (Ver numeral
4.2.2.4.4), se deberá cumplir con las siguientes condiciones: en vanos
donde se realice la prueba completa se deberá adoptar lo estipulado en el
párrafo anterior. Para los vanos en donde se hayan realizado pruebas
simplificadas, los valores obtenidos no deberán desviarse en más de un 10
%. Si alguna de las condiciones descritas en los diferentes vanos no llega a
cumplir, deberá realizarse la prueba completa sobre el vano
correspondiente.
137
Las fisuras producidas por la realización de la prueba de carga, como
también aquellas que queden al terminarse la misma, se recomienda que
estén acorde con lo estipulado en la norma (23) la cual especifica el estado
límite de fisuración (Ver Tabla 5-5).
Tabla 5-5. Límites de fisuras. Fuente: (Instrucción de Hormigón Estructural "EHE", 1998)
El ingeniero a cargo tendrá la potestad de repetir las pruebas si así le parece,
basándose en los resultados obtenidos de la prueba estática de carga.
En casos excepcionales, los límites estipulados en esta sección podrán ser
modificados, siempre y cuando esté justificada la decisión.
Nota: La remanencia (Ver numeral 5.2.1.4.4) no se tendrá en cuenta en esta
metodología, ya que la evaluación del factor de clasificación RF depende
netamente de la deflexión vertical.
5.2.1.5 Observaciones y comentarios
Teniendo en cuenta las condiciones de la estructura es decir, si es nueva o está
ya en uso, se deben dar indicaciones relacionadas con el buen desarrollo de la
prueba de carga junto con los procedimientos que se deben realizar. Estas
indicaciones tienen que ver con anomalías o prevenciones que puedan llegar
afectar los resultados, tales como temperatura, vibraciones producto de
138
estructuras cercanas, instrumentación, grietas, etc. Además el Ingeniero
Estructural, deberá dejar expresado todas y cada una de las suposiciones que
realizó para elaborar el modelo computacional
5.2.2 Ejecución de la prueba de carga estática.
Se seguirán las recomendaciones dadas en la sección anterior para continuar lo
planeado previamente y poder desarrollar la prueba de carga de una forma ideal.
Seguidamente se tomaran los datos producidos por la misma.
5.2.2.1 Deformación obtenida (experimental)
Se realizará un informe de la prueba estática de carga realizada. En él, se
expresarán todos y cada uno de los parámetros o eventos ocurridos durante la
ejecución de la misma, incluyendo la deformación obtenida en cada fase de la
prueba estática de carga y en los puntos predeterminados. Se recomienda que los
resultados incluyan la precisión de la instrumentación utilizada, para que de esta
manera el evaluador pueda tener un criterio integral para determinar el factor de
clasificación ajustado.
5 . 3 F a c t o r d e c l a s i f i c a c i ó n a j u s t a d o Se deberán seguir las especificaciones establecidos en la norma estadounidense
(12) (Ver numeral 4.2.1), la cual usa la siguiente ecuación para ajustar el factor de
clasificación teórico con los resultados de la prueba estática de carga:
E 5-29
Donde:
= Factor de clasificación ajustado
139
= Factor de clasificación teórico
= Factor de ajuste
E 5-30
E 5-31
Donde:
= Deflexión teórica de la estructura
= Deflexión experimental de la estructura hallada mediante la prueba estática de
carga
= Ver numeral 4.2.1.4.1 del presente documento.
En caso en que la deflexión experimental sea igual a cero “0”, se deberá adoptar
como factor , la precisión del equipo usado para medir las deflexiones en los
puntos especificados en el numeral 5.2.1.4.2.1.
5 . 4 E s t a d o r e a l d e l a e s t r u c t u r a Se deberá registrar en una tabla los valores del factor de clasificación teórico y
ajustado, para que el evaluador pueda realizar un dictamen final de la estructura.
Esta evaluación reflejará y resaltará las diferencias más grandes entre cada factor,
explicando las posibles razones por las cuales los resultados varían o no. En caso
en que el factor de clasificación sea menor a uno (1.0), se debe realizar un plan de
rehabilitación de la estructura apoyada de la re-calibración del modelo estructural,
para luego ser ajustado nuevamente con una prueba estática de carga
140
6 VA L I D A C I O N
A continuación se presentan tres 3 casos en donde se usó la metodología
propuesta para determinar la capacidad de carga real de cada una de las
estructuras. El factor de clasificación analítico de cada puente se determinó con
base en las cargas de diseño de las especificaciones del CCDSP-95 (18) y la
Nueva Norma Colombiana de Puentes (17). Además, debido la importancia de la
normativa estadounidense (12), la cual es usada en varios países del mundo, se
evaluó los máximos efectos de la carga viva producidos por la carga de diseño
HL-93 cuya configuración se presenta a continuación.
1. AASHTO LRFD 2014 bridge design specifications, HL-93:
Se debe evaluar el puente con las siguientes combinaciones: Camión de diseño
(Ver Figura Nº 6-2) + Carril de diseño (Ver Figura Nº 6-3) y Tándem de diseño
(Figura Nº 6-1) + Carril de diseño. La combinación más crítica será usada para
evaluar los máximos efectos de caga viva.
a) Tandem de diseño:
Figura Nº 6-1 Tandem de diseño HL-93. Fuente: (13)
b) Camión de diseño:
Figura Nº 6-2 Camión de diseño HL-93. Fuente: (13)
141
c) Carga distribuida:
Figura Nº 6-3 Carga distribuida HL-93. Fuente: (13)
6 . 1 P u e n t e N o . 1
6.1.1 Introducción
Se presentan los resultados de la prueba estática de carga realizada a un puente
vehicular de concreto reforzado (Ver numeral 6.1.4), ejecutada por la empresa
Techinst S.A.S (19) y que tuvo la participación de los autores del presente
documento.
Además, se evalúo la capacidad de carga analítica (Ver numeral 6.1.5) para luego
ser ajustada, con los resultados de la prueba estática de carga. (Ver numeral
6.1.6).
El puente tiene un tablero simplemente apoyado de una sola luz de 15 mts. (Ver
Figura Nº 6-5). Está conformado por una placa maciza y cinco vigas en concreto
reforzado (Ver Figura Nº 6-5). El ancho del tablero es de 14.48 mts e incluye en
un costado un andén de 1.0 (mts) de ancho con una baranda combinada y barrera
de tráfico en el otro costado. (Ver Figura Nº 6-4). La infraestructura está
compuesta por 2 apoyos extremos (estribos) apoyados en dos muros de
contención.
142
Figura Nº 6-4 Vista frontal del puente. Fuente: Propia
Figura Nº 6-5 Vista inferior del puente. Fuente: (19)
6.1.2 Inspección visual
A cada componente del puente se le realizó una inspección visual utilizando la
metodología del Sistema de Administración de Puentes de Colombia – SIPUCOL,
la cual se puede consultar en las referencias (20) y (6). La escala de calificación
para la inspección visual que se utilizó para el diagnóstico preliminar de cada
143
componente de la estructura se puede encontrar en el numeral 5.2.1.2 del
presente documento.
6.1.2.1 Superficie de rodadura, barreras y barandas
La superficie de rodadura, barreras y barandas del tablero del puente se
encuentran en buen estado, luego su calificación es de “0”, es decir “Sin daño o
con daño insignificante”, tal y como se puede observar en las siguientes figuras.
Figura Nº 6-6. Estado de la superficie de rodadura. Fuente: Propia
Figura Nº 6-7 Estado de la baranda. Fuente: Propia
144
Figura Nº 6-8 Estado de la barrera. Fuente: Propia
6.1.2.2 Juntas de dilatación
Las dos juntas de dilatación, localizadas en los extremos del tablero, cumplen por
el momento su función estructural de forma adecuada. No obstante, se encontró
que parte del mortero presenta cierto grado de fisuración, lo cual puede hacer que
la junta se deteriore y pierda su estabilidad, por lo tanto es necesario su revisión y
posterior reparación (Ver Figura Nº 6-9).
Figura Nº 6-9 Estado de la junta de dilatación. Fuente: Propia
145
De acuerdo a la escala de calificación de SIPUCOL, las juntas de dilatación tienen
una calificación de “2”, es decir “Existe daño, el componente funciona como se
diseñó”.
6.1.2.3 Andén
Los andenes presentan grietas o fisuras, cuya causa está relacionada
posiblemente con efectos de retracción de fraguado. Es importante realizar
inspecciones rutinarias para este componente, con el objeto de verificar la
evolución del daño. (Ver Figura Nº 6-10). El andén tiene una calificación de “2”, es
decir “Existe daño, el componente funciona como se diseñó”, basado en la escala
de calificación que se expone en el numeral 6.1.2.
Figura Nº 6-10 Estado del andén. Fuente: Propia
146
6.1.2.4 Losa y vigas
La losa y vigas se encuentran en buen estado desde el punto de vista estructural
(Ver Figura Nº 6-11). No obstante, hacen falta trabajos de mantenimiento, por lo
cual se le asigna una calificación de “0”, es decir “Sin daño o con daño
insignificante”.
Figura Nº 6-11 Estado de la losa y vigas. Fuente: Propia
6.1.2.5 Estribos, aletas y apoyos
Los apoyos y aletas (Ver Figura Nº 6-12) no presentan ningún daño importante y
se encuentran en condiciones óptimas, por lo cual se le asigna una calificación de
“0”, es decir “Sin daño o con daño insignificante”.
Figura Nº 6-12 Estado de las aletas. Fuente: Propia
147
6.1.2.6 Muro de contención
En general el muro de contención se encuentra en buen estado. (Ver Figura N°
Figura Nº 6-13).Sin embargo en algunos lugares se pueden encontrar fisuras y
grietas, tal y como se evidencia en la Figura Nº 6-14. Es por ello que a este
componente se recomienda realizarle inspecciones visuales rutinarias, y así
registrar la evolución del daño. Con base en lo anterior, el muro de contención
tiene una calificación de “2”, es decir “Existe daño, el componente funciona como
se diseñó”.
Figura Nº 6-13 Estado del muro de contención. Fuente: Propia
Figura Nº 6-14 Estado del muro de contención. Fuente: (19)
148
6.1.2.7 Puente
Con base en la revisión del estado de cada uno de los componentes que hacen
parte del puente, especialmente los que tienen una mayor responsabilidad
estructural (losa, vigas, estribos y muro de contención) el puente tiene una
calificación global de “2”, es decir “Existe daño, el componente funciona como se
diseñó”.
6.1.3 Protocolo
La prueba estática de carga se basó en el protocolo elaborado por la empresa
(19). Éste está fundamentado por los lineamientos establecidos en el documento
“Recomendaciones para la realización de pruebas de carga de recepción en
puentes de carretera” de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de
Fomento de España (3).
El protocolo incluyó una descripción de todas y cada una de las etapas de la
prueba, así como los criterios de aceptación. El principal objetivo de esta prueba
de carga es el de confirmar el diseño de forma técnica y que las condiciones de
servicio de la estructura cumplan con la normatividad vigente.
6.1.4 Resultados de la prueba de carga
6.1.4.1 Carga de diseño
De acuerdo a las memorias de cálculo del puente, se determinó que la carga viva
de diseño fue la C-40-95 especificada en el Código Colombiano de Diseño
Sísmico de Puentes. (Ver (18)).
149
Debido a que la estructura tiene una luz menor a 28 metros (Ver numeral
5.1.1.3.1), se empleó como carga viva de diseño el camión C-40-95 y no la línea
de carga más una carga puntual.
6.1.4.2 Tren de carga
Se presentan las características del tipo de carga o lastre y las correspondientes
fases o etapas que se emplearon para la prueba estática de carga.
6.1.4.2.1 Tipo de carga o lastre
La carga se basó en diferentes combinaciones mediante dos volquetas tipo doble
troque cuya configuración de ejes y cargas se presentan en la Figura Nº 6-15,
Figura Nº 6-16 y Tabla 6-1.
Figura Nº 6-15 Volqueta para la prueba de carga - Alzado lateral. Fuente: (19)
Figura Nº 6-16 Volqueta para la prueba de carga - Vista posterior y frontal. Fuente: (19)
150
Valores de peso en Toneladas
Eje Trasero Eje Delantero Total
Vacía 6.9 5.1 12
Llena 22 6 28
Tabla 6-1 Valores del peso de una volqueta tipo doble troque. Fuente: Propia
6.1.4.2.2 Estados de carga de la prueba estática
Se ejecutaron dos fases para un estado de carga, las cuales se explican a
continuación:
6.1.4.2.2.1 Estado de carga 1 – fase 1
El estado de carga 1-fase 1 consistió en una volqueta localizada tal y como se
observa en la Figura Nº 6-17, Figura Nº 6-18 y Figura Nº 6-19.
Figura Nº 6-17. Estado de carga 1, fase 1 – Excéntrico. Fuente: (19)
151
Figura Nº 6-18 Perfil, estado de carga 1 fase 1- Excéntrico. Fuente: (19)
Figura Nº 6-19 Localización de la volqueta - Estado de carga 1-fase 1. Fuente: (19)
6.1.4.2.2.2 Estado de carga 1 – fase 2
El estado de carga 1-fase 2 consistió en dos volquetas localizadas tal y como se
observa en la Figura Nº 6-20 y Figura Nº 6-21.
152
Figura Nº 6-20 Estado de carga 1 - fase 2. Fuente: (19)
Figura Nº 6-21 Perfil del estado de carga 1 - fase 2. Fuente: (19)
6.1.4.3 Valores de deformación esperados
Los valores de desplazamientos verticales o flechas esperadas para cada fase de
carga, fueron determinados mediante un modelo estructural realizado con el
programa CSI Bridge con base en los planos y memorias de cálculo existentes.
Las medidas esperadas para cada fase de carga en la viga exterior donde el
voladizo tiene el andén (Ver Figura Nº 6-6) son los siguientes:
153
Viga exterior derecha
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.55 0.77
L/3 4.4 0.94 1.29
L/2 6.6 1.11 1.49
2L/3 8.8 1.02 1.35
5L/6 11.0 0.74 0.97
Tabla 6-2 Deformaciones verticales o flechas esperadas (mm) en viga exterior derecha del puente.
Fuente: (19)
Los desplazamientos verticales esperados para cada fase en la viga interior
central son:
Viga interior central
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.54 1.08
L/3 4.4 1.02 1.92
L/2 6.6 1.39 2.34
2L/3 8.8 1.19 1.78
5L/6 11.0 0.70 0.97
Tabla 6-3 Deformaciones verticales o flechas esperadas (mm) en viga central del puente. Fuente: (19)
6.1.4.4 Valores de momentos esperados
En la Tabla 6-4, se puede observar los valores de momento positivo esperados en
la prueba de carga y los determinados basados en las especificaciones de la
norma explicadas en el numeral 6.1.4.1 del presente documento, para la viga
exterior izquierda y la viga interior central.
154
Viga exterior izquierda Viga interior crítica
Fase de
Carga
Prueba
de Carga
Carga de
Diseño
% Prueba
de Carga
Carga de
Diseño
%
1 4.5 62.8 7.2% 22.4 62.9 35.6%
2 19.6 62.8 31.2% 40.4 62.9 64.2%
Tabla 6-4 Momentos positivos esperados y de diseño en el centro de luz (en Ton*m). Fuente: (19)
Es importante mencionar que la magnitud de la carga impuesta respecto de la de
diseño, no sobrepasa el 70%, con lo cual, se cumple lo requerido en el numeral
5.2.1.4.6 del presente documento.
6.1.4.5 Valores de deformación obtenidos en la prueba estática de carga medidos
con topografía.
A través de un equipo de nivel digital con una precisión menor o igual a 1mm y sin
uso de una estación, se midieron las deflexiones verticales del tablero del puente
en puntos definidos como la sexta parte de la luz, para las fases de carga
explicadas en el numeral 6.1.4.2.2 de este documento.
Los valores obtenidos (en mm) para cada fase de carga en la viga exterior en el
centro de la luz son los siguientes:
Viga exterior derecha
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/2 6.6 0.70 0.70
Tabla 6-5 Deformaciones verticales o flechas obtenidas en la viga exterior derecha del puente. Fuente:
(19)
Los desplazamientos verticales obtenidos para cada fase en la viga interior central
en el centro de la luz son:
155
Viga Interior Central
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/2 6.6 0.60 2.00
Tabla 6-6 Deformaciones verticales o flechas obtenidas (mm) en viga central del puente. Fuente: (19)
6.1.4.6 Valores de deformación obtenidos en la prueba estática de carga medidos
con telémetros
Con un telémetro de precisión 0.001mm, se determinó la deflexión en el centro de la luz de cada viga. A continuación se presentan las flechas verticales medidas en milímetros (mm):
Viga exterior derecha
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/2 6.6 0.672 1.129
Tabla 6-7 Deformaciones verticales o flechas obtenidas (mm) en la viga exterior derecha del puente. Fuente: (19)
Viga interior central
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/2 6.6 0.813 1.682
Tabla 6-8 Deformaciones verticales o flechas obtenidas (mm) en viga central del puente. Fuente: (19)
6.1.5 Evaluación de capacidad de carga
La capacidad de carga se evaluó mediante la normativa “THE MANUAL FOR
BRIDGE EVALUATION” (12). El objeto final de este procedimiento es determinar
el factor “RF”, cuyo resultado dictaminará si el elemento tiene la capacidad de
carga adecuada a flexión y cortante. Si éste valor es superior a 1.0, el elemento
cuenta con la capacidad adecuada, si no, se debe plantear la actualización o
156
reforzamiento del elemento para que pueda cumplir la función para la cual fue
diseñado.
A continuación se expone el procedimiento realizado para evaluar la capacidad de
carga analítica para los tres vehículos de diseño previamente mencionados. Este
procedimiento se basó en el manual de evaluación de puentes (12).
6.1.5.1 Evaluación de carga muerta
a) Viga Interior
1) Peso propio de la viga, P.P.
( )
2) Peso de la losa, P.L.
( )
3) Peso del andén, P.A.
* 1/5
157
4) Peso de las barandas, P.B.
( )
5) Peso de la carpeta asfáltica, C.A.
( )
b) Viga exterior
1) Peso propio de la viga, P.P.
158
( )
2) Peso de la losa, P.L.
( )
3) Peso del andén, P.A.
* 1/5
4) Peso de las barandas, P.B.
( )
159
5) Peso de la carpeta asfáltica, C.A.
( )
6.1.5.2 Evaluación de carga viva
a) Factor n:
E 6-1
El factor , el cual relaciona el módulo de elasticidad del material de la losa con
respecto al de la viga es igual a 1.0, debido a que ambas secciones se componen
del mismo material.
b) Inercia:
( )
E 6-2
( ( ) )
160
c) Área:
( )
E 6-3
d) Eje neutro de la sección (Incluye la losa):
Aplicando la ecuación E 5-5, la rigidez longitudinal de la sección es igual a:
a) Factor de distribución de momento ( ):
El factor debe ser evaluado con dos hipótesis. La primera suponiendo que
únicamente un carril está cargado. La segunda, que dos o más carriles del puente
están copados. El mayor resultado de estas dos hipótesis será considerado como
factor de distribución de momento.
Empleando la ecuación E 5-1, gm1:
(
)
(
)
(
( ) )
161
Empleando la ecuación E 5-2, gm2:
(
)
(
)
(
( ) )
Debido a que > , se usa como parámetro .
b) Factor de distribución de cortante ( )
El factor tal y como se expresa en el numeral 5.1.1.3 debe ser calculado de la
misma manera que el parámetro de distribución de momento.
Empleando la ecuación E 5-3, :
Empleando la ecuación E 5-4, gv2:
(
)
162
Debido a que > , se usa como parámetro
c) Impacto
Según las nueva Norma Colombiana de Puentes (17) y el reglamento
Estadounidense (12), se debe considerar un factor de amplificación del 33% tal y
como se describe en el numeral 5.1.1.3 de este documento. Para el caso del
código CCDSP-95, es necesario evaluar el impacto con base en la ecuación E 5-6.
Obteniéndose un factor de amplificación igual a 29%.
6.1.5.3 Máximos efectos de carga viva
6.1.5.3.1 Configuración de las cargas según su norma
Para determinar los máximos efectos que produce la carga viva, se utilizaron los
camiones de diseño HL-93, C40-95 y CC-14. Estos camiones son base para el
análisis de carga viva en las normas AASHTO LRFD bridge design specifications
del año 2014, código colombiano de diseño sísmico de puentes del año 1995
(CCDSP-95) y la norma colombiana de diseño de puentes del año 2014 (CCP-
2014) respectivamente, cuyas configuraciones se pueden encontrar en los
numerales 5.1.1.3.1 y 6 del presente documento.
6.1.5.3.2 Momento máximo según las diferentes normas evaluadas
En la Tabla 6-9 se presentan las máximas solicitaciones según la carga de
diseño.
163
Cabe resaltar que el factor de impacto (IM), únicamente afecta al momento
generado por el camión o tándem de diseño.
Momento máximo
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
Camión de Diseño 80.5 99.5 91.9
Tandem de Diseño 78.2 N.A. 82.50
Carril de Diseño 26.7 N.A 29.0
Configuración Crítica 107.2 99.5 120.9
Impacto 33% 29% 33%
(1) 133.8 128.4 151.3
Tabla 6-9 Solicitaciones máximas de momento por normativa. Fuente: Propia
La carga viva de diseño “ ( )” debe ser afectada por el factor de distribución
de momento determinado en el numeral 6.1.5.2 del presente documento, tal y
como se expresa en el numeral 5.1.1.3.1. De esta manera se obtiene la carga viva
de diseño afectada por el factor , cuyos resultados se exponen en la Tabla
6-10.
Carga viva de diseño
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
(1) 133.8 99.5 151.3
46.9 34.9 53.0
Tabla 6-10 Carga viva de diseño afectada por el factor de distribución. Fuente: Propia
a) Momento ocasionado por la carga muerta,
164
E 6-4
E 6-5
b.1) Viga interior
( )
( )
b.2) Viga exterior
( )
( )
165
6.1.5.3.3 Cortante máximo en la distancia crítica según las diferentes normas
evaluadas
a) Distancia crítica
Según la ecuación E 5-9:
b) Esfuerzos cortantes en la distancia crítica según la carga de diseño.
En la Tabla 6-11 se presentan las máximas solicitaciones según la carga de
diseño.
Cabe resaltar que el factor de impacto (IM), únicamente afecta al cortante
generado por el camión o tándem de diseño.
Cortante máximo (Ton) HL-93 C40-95 CC-14
Camión de Diseño 21.0 22.0 18.0
Tandem de Diseño 10.4 N.A. 11.0
Carril de Diseño 5.0 N.A 5.5
Configuración Crítica 26.0 22.0 23.5
Impacto 33% 29% 33%
(1) 32.9 28.4 29.4
Tabla 6-11 Solicitaciones máximas de cortante por normativa. Fuente: Propia
166
La carga viva de diseño “ ( )” debe ser afectada por el factor de distribución
de cortante determinado en el numeral 6.1.5.2 del presente documento, tal y como
se expresa en el numeral 5.1.1.3.1. De esta manera se obtiene la carga viva de
diseño afectada por el factor , cuyos resultados se exponen en la Tabla 6-12.
Carga viva de diseño
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
(1) 32.9 28.4 29.4
15.8 13.6 14.1
Tabla 6-12 Carga viva de diseño afectada por el factor de distribución. Fuente: Propia
1) Cortante ocasionado por la carga muerta en la distancia crítica,
E 6-6
1.1) Viga interior
167
1.2) Viga exterior
6.1.5.4 Resistencia a la flexión nominal
El momento nominal se debe hallar para obtener la resistencia que posee la viga a
la flexión.
Para determinarla, se debe de hallar el ancho del ala efectivo, la distancia al eje
neutro de la sección y del refuerzo. A continuación se emplean las ecuaciones
estipuladas en el numeral 5.1.2 para así, obtener el resultado del momento
nominal.
a) Ancho del ala efectivo, .
Se debe adoptar el valor mínimo de las hipótesis presentadas en el numeral 5.1.2.
)
( )
168
)
)
Se usa como parámetro
b) Distancia al eje neutro,
Empleando la ecuación E 5-15:
Utilizando la ecuación E 5-16:
c) Distancia desde la parte superior de la sección hasta el centro del refuerzo, Ῡ.
El refuerzo cuenta con un recubrimiento de 5 cm hasta el eje de la barra.
Empleando la ecuación E 5-12:
169
c) Momento nominal
Según E 5-13:
(
)
6.1.5.5 Cuantía mínima
a) Resistencia a la flexión mayorada,
Empleando la ecuación E 5-17
b) Momento último,
En la Tabla 6-13, se presentan los resultados obtenidos con la ecuación E 5-18
correspondiente momento último según la carga de diseño.
(Ton * m) HL-93 C40-95 CC-14
Viga Interior 213.6 192.5 224.3
Viga Exterior 208.3 187.3 219.0
Tabla 6-13 Momento último según la carga de diseño. Fuente: Propia
170
c) Momento de agrietamiento,
A continuación se presenta el cálculo de la inercia y eje neutro de la
sección compuesta:
Ítem Área (m2) y (m) A*y Io (m4) A*(Ῡ-yi)2
Viga 0.51 0.43 0.22 0.03 0.05
Losa 0.75 0.98 0.73 0.00 0.04
Σ 1.26 0.95 0.03 0.09
Ῡb 0.75 m
I 0.13
Tabla 6-14 Cálculo de la inercia y el eje neutro de la sección compuesta. Fuente: Propia
Empleando la siguiente ecuación de determina el factor :
√
E 6-7
√
Empleando la ecuación E 5-20:
171
Usando la ecuación E 5-19, se obtiene el momento de agrietamiento:
Para comprobar si el refuerzo es mayor al mínimo requerido, se deberá comprobar
la hipótesis No. 1. Si el resultado no es favorable, se analizará si se cumple la No.
2. En caso de no cumplirse ninguna de las dos hipótesis, se concluirá que la
sección no tiene el refuerzo suficiente para resistir las cargas, tal y como se
expone en el numeral 5.1.2.1.1 de este documento.
Hipótesis No. 1
= 389.99 Ton*m (Ver inciso “a” del presente numeral).
(Ton * m) HL-93 C40-95 CC-14
Viga Interior 284.0 256.1 298.3
Viga Exterior 277.0 249.1 291.3
Tabla 6-15 Hipótesis No. 1 según la normativa aplicada. Fuente: Propia
La hipótesis se cumple. Los requisitos de cuantía mínima son los suficientes para
resistir las cargas.
Hipótesis No. 2
= 389.99 Ton*m (Ver inciso “a” del presente numeral).
172
La hipótesis se cumple. Se ratifica la cuantía mínima.
6.1.5.6 Cuantía máxima
a) Control de tensión
Empleando la ecuación E 5-21:
( )
Como es mayor a 0.005 la sección tiene la tensión controlada.
6.1.5.7 Resistencia nominal al corte
a) Profundidad efectiva al corte
Se deben aplicar las ecuaciones E 5-10 y E 5-11, para verificar el valor de la
profundidad efectiva al corte que se debe usar en los cálculos. El mayor, será el
que gobernará el parámetro .
Empleando la ecuación E 5-10:
173
Utilizando la ecuación E 5-11:
Por lo tanto se adopta 0.720 m como profundidad efectiva al corte, .
b) La resistencia nominal al corte es el menor resultado de reflejen las
ecuaciones E 5-24 y E 5-25.
√
Utilizando la ecuación E 5-22:
174
Según la ecuación E 5-23:
Como < se adopta 96.04 Ton como la resistencia nominal al corte.
6.1.5.8 Resumen puente No. 1
Tabla 6-16 Resumen puente no. 2. Fuente: Propia
Esfuerzo
Carga
muerta
DC
Carga
muerta
DW
Factor de
distribución
de carga
Dist. carga viva +
Impacto
Capacidad
Nominal
HL-93 C40-
95
CC-14
Viga interior
Momento
(Ton*m)
95.91 9.28
46.90 34.88 53.03 426.65
Cortante
(Ton)
18.04 1.75
15.77 13.61 14.09 96.04
Viga exterior
Momento
(Ton*m)
92.26 8.72
46.90 34.88 53.03 426.65
Cortante
(Ton)
17.35 1.64
15.77 13.61 14.09 96.04
175
6.1.5.9 Factor de clasificación
A continuación se especifican todos y cada uno de los factores de mayoración que
afectan el factor de clasificación teórico de la estructura:
Factor de resistencia ( ) = 0.9, debido a que la estructura tiene como material
principal el concreto u hormigón de peso normal. Ver numeral: 5.1.3.
Factor de condición ( ) = 0.95. Éste factor se obtuvo debido a que el puente,
cuenta con una calificación de dos “2” según la escala de clasificación de
SIPUCOL. Ver numerales: 6.1.2 y 5.1.35.2.1.2.
Factor de sistema ( ) = 1.0, debido a que la tipología del puente corresponde a
“Viga y losa”. Ver numeral: 5.1.3.
Los factores a emplear en la ecuación E 5-26 varían de acuerdo al nivel de
servicio que se quiera revisar. A continuación se exponen los coeficientes del nivel
de inventario y de operación según la el manual de evaluación de puentes de la
AASHTO 2014, Ver numeral: 5.1.3
6.1.5.9.1 Estado límite resistencia
Nivel de inventario
( ) = 1.25
( ) = 1.50
( ) = 1.75
176
Nivel de operación
( ) = 1.25
( ) = 1.50
( ) = 1.35
6.1.5.9.2 Estado límite de servicio
Nivel de inventario
( ) = 1.00
( ) = 1.00
( ) = 1.75
Nivel de operación
( ) = 1.00
( ) = 1.00
( ) = 1.35
177
A continuación se exponen los factores de clasificación teóricos según el nivel y
estado límite evaluado.
Estado límite de resistencia
i. Nivel de inventario
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 2.8 3.8 2.5
Cortante 2.1 2.4 2.3
Viga Exterior
Momento 2.9 3.9 2.6
Cortante 2.1 2.4 2.4
Tabla 6-17 Factor de clasificación teórico, nivel de inventario. Fuente: Propia
ii. Nivel de operación
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 3.7 4.9 3.2
Cortante 2.7 3.1 3.0
Viga Exterior
Momento 3.7 5.0 3.3
Cortante 2.7 3.2 3.1
Tabla 6-18 Factor de clasificación teórico, nivel de operación. Fuente: Propia
178
Estado límite de servicio
i. Nivel de inventario
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 3.2 4.3 2.8
Cortante 2.3 2.6 2.5
Viga Exterior
Momento 3.2 4.3 2.8
Cortante 2.3 2.7 2.6
Tabla 6-19 Factor de clasificación teórico, nivel de inventario. Fuente: Propia
ii. Nivel de operación
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 4.1 5.5 3.6
Cortante 2.9 3.4 3.3
Viga Exterior
Momento 4.2 5.6 3.7
Cortante 3.0 3.4 3.3
Tabla 6-20 Factor de clasificación teórico, nivel de operación. Fuente: Propia
6.1.6 Estado real de la estructura
179
Para determinar el factor de clasificación ajustado con los resultados de la prueba
estática de carga medidos con instrumentos de topografía y telémetros, se deben
emplear las ecuaciones descritas en el numeral 5.3 del presente documento.
A continuación se presentan los valores de los factores , y . Éstos se
usarán para hallar el factor de ajuste K, el cual “calibrara” el factor de clasificación
teórico, y así, determinar la capacidad de carga real del puente.
1. Deformaciones obtenidas con topografía
a) Fase 1
1. Viga interior
= 1.39 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 0.60 mm (Ver numeral 6.1.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
2. Viga exterior
= 1.11 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 0.70 mm (Ver numeral 6.1.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
b) Fase 2
1. Viga interior
= 2.34 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 2.00 mm (Ver numeral 6.1.4.5)
180
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
2. Viga exterior
= 1.49 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 0.70 mm (Ver numeral 6.1.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
Debido a que la viga exterior no presenta deflexión alguna, se utilizará la precisión
del equipo topográfico (1 mm) para evaluar el factor de clasificación ajustado
2. Deformaciones obtenidas con telémetros
a) Fase 1
1. Viga interior
= 1.39 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 0.813 mm (Ver numeral 6.1.4.6)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
2. Viga exterior
= 1.11 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 0.672 mm (Ver numeral 6.1.4.6)
181
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
b) Fase 2
3. Viga interior
= 2.34 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 1.129 mm (Ver numeral 6.1.4.6)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
4. Viga exterior
= 1.49 mm (Ver numeral 6.1.4.3)
= 1.683 mm (Ver numeral 6.1.4.6)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
A continuación se presentan los factores de clasificación ajustados con la prueba
estática de carga para el estado límite de resistencia y servicio, utilizando las
mediciones obtenidas con topografía y las determinadas con telémetros.
1. Deformaciones obtenidas con topografía
Estado límite de resistencia
i) Nivel de inventario
182
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 5.8 3.2 7.8 4.3 5.1 2.8
Cortante 4.2 2.3 4.9 2.7 4.7 2.6
Viga Exterior
Momento 4.2 5.5 5.7 7.4 3.7 4.8
Cortante 3.1 4.0 3.6 4.6 3.5 4.5
Tabla 6-21 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: Propia
Figura Nº 6-22 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
183
Figura Nº 6-23 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-24 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
184
Figura Nº 6-25 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
i) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 7.5 4.1 10.1 5.6 6.6 3.7
Cortante 5.5 3.0 6.4 3.5 6.1 3.4
Viga Exterior
Momento 5.5 7.1 7.4 9.6 4.8 6.3
Cortante 4.0 5.2 4.6 6.0 4.5 5.8
Tabla 6-22 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
185
Figura Nº 6-26 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-27 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
186
Figura Nº 6-28 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-29 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
187
Estado límite de servicio
i) Nivel de inventario
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 6.5 3.6 8.7 4.8 5.7 3.2
Cortante 4.6 2.6 5.4 3.0 5.2 2.9
Viga Exterior
Momento 4.7 6.1 6.3 8.2 4.2 5.4
Cortante 3.4 4.4 3.9 5.0 3.8 4.9
Tabla 6-23 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: Propia
Figura Nº 6-30 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
188
Figura Nº 6-31 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-32 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
189
Figura Nº 6-33 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
ii) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 8.4 4.7 11.3 6.3 7.4 4.1
Cortante 6.0 3.3 7.0 3.9 6.7 3.7
Viga Exterior
Momento 6.1 7.9 8.2 10.7 5.4 7.0
Cortante 4.4 5.6 5.0 6.5 4.9 6.3
Tabla 6-24 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
190
Figura Nº 6-34 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-35 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
191
Figura Nº 6-36 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-37 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
192
2. Deformaciones obtenidas con telémetros
Estado límite de resistencia
ii) Nivel de inventario
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 4.4 3.7 5.9 5.0 3.9 3.3
Cortante 3.2 2.7 3.8 3.1 3.6 3.0
Viga Exterior
Momento 4.5 3.6 5.9 4.9 3.9 3.2
Cortante 3.2 2.6 3.7 3.1 3.6 3.0
Tabla 6-25 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: Propia
Figura Nº 6-38 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
193
Figura Nº 6-39 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-40 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
194
Figura Nº 6-41 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
iii) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 5.7 4.8 7.7 6.4 5.1 4.2
Cortante 4.2 3.5 4.9 4.1 4.7 3.9
Viga Exterior
Momento 5.7 4.7 7.6 6.3 5.0 4.2
Cortante 4.1 3.4 4.8 4.0 4.6 3.8
Tabla 6-26 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
195
Figura Nº 6-42 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-43 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
196
Figura Nº 6-44 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-45 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
197
Estado límite de servicio
ii) Nivel de inventario
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 5.0 4.6 6.7 5.6 4.4 3.7
Cortante 3.5 3.0 4.1 3.4 4.0 3.3
Viga Exterior
Momento 4.9 4.0 6.6 5.4 4.3 3.6
Cortante 3.5 2.9 4.0 3.3 3.9 3.2
Tabla 6-27 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: Propia
Figura Nº 6-46 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
198
Figura Nº 6-47 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-48 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
199
Figura Nº 6-49 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
iv) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 6.4 5.4 8.6 7.2 5.7 4.8
Cortante 4.6 3.8 5.3 4.5 5.1 4.3
Viga Exterior
Momento 6.3 5.2 8.5 7.0 5.6 4.6
Cortante 4.5 3.7 5.2 4.3 5.1 4.2
Tabla 6-28 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
200
Figura Nº 6-50 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-51 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
201
Figura Nº 6-52 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-53 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
202
6 . 2 P u e n t e N o . 2
6.2.1 Introducción
Se presentan los resultados de la prueba estática de carga realizada a un puente
vehicular de concreto reforzado (Ver numeral 6.2.4), ejecutada por la empresa
Techinst S.A.S (24). Además, se evalúa la capacidad de carga analítica (Ver
numeral 6.2.5) para luego ser ajustada, con los resultados de la prueba estática de
carga. (Ver numeral 6.2.6).
El puente tiene un tablero simplemente apoyado de una sola luz de 13.8 mts.
(Ver Figura Nº 6-54). Está conformado por una placa maciza y cinco vigas en
concreto reforzado (Ver Figura Nº 6-55 y Figura Nº 6-56). El ancho del tablero es
de 11.60 mts e incluye en un costado un andén de 1.0 (mts) de ancho con una
baranda combinada y barrera de tráfico en el otro costado. (Ver Figura Nº 6-57).
La infraestructura está compuesta por 2 apoyos extremos (estribos) con
cimentación profunda. (Ver Figura Nº 6-58).
Figura Nº 6-54. Alzado del puente. Fuente: (24)
203
Figura Nº 6-55. Planta del puente. Fuente: (24)
Figura Nº 6-56. Vigas de la estructura. Fuente: (24)
204
Figura Nº 6-57. Sección transversal del puente. Fuente: (24)
Figura Nº 6-58. Estribos y pilas de la estructura. Fuente: (24)
6.2.2 Inspección visual
A cada componente del puente se le realizó una inspección visual utilizando la
metodología del Sistema de Administración de Puentes de Colombia – SIPUCOL,
la cual se puede consultar en las referencias (20) y (6). La escala de calificación
para la inspección visual que se utilizó para el diagnóstico preliminar de cada
componente de la estructura se puede encontrar en el numeral 5.2.1.2 del
presente documento.
205
6.2.2.1 Superficie de rodadura, barreras y barandas
La superficie de rodadura, barreras y barandas del tablero del puente se
encuentran en buen estado, es por eso que su calificación es de “0”, es decir “Sin
daño o con daño insignificante”, tal y como se puede observar en las siguientes
figuras.
Figura Nº 6-59. Estado de la superficie de rodadura. Fuente: (24)
Figura Nº 6-60 Estado de la baranda y barrera. Fuente: (24)
206
6.2.2.2 Juntas de dilatación
Las dos juntas de dilatación, localizadas en los extremos del tablero, cumplen por
el momento su función estructural de forma adecuada. No obstante, se encontró
que parte del mortero presentante un grado mínimo de fisuración, lo cual puede
hacer que la junta se deteriore y pierda su estabilidad, por lo tanto es necesario su
revisión y posterior reparación (Ver Figura Nº 6-61).
Figura Nº 6-61 Estado de la junta de dilatación. Fuente: (24)
De acuerdo a la escala de calificación de SIPUCOL, las juntas de dilatación tienen
una calificación de “2”, es decir “Existe daño, el componente funciona como se
diseñó”.
6.2.2.3 Andén
Los andenes presentan grietas o fisuras, cuya causa está relacionada
posiblemente con efectos de retracción de fraguado. Es recomendable realizar
inspecciones rutinarias para este componente, con el objeto de verificar la
evolución del daño. (Ver Figura Nº 6-62). El andén tiene una calificación de “2”, es
decir “Existe daño, el componente funciona como se diseñó”, basado en la escala
de calificación que se expone en el numeral 6.2.2.
207
Figura Nº 6-62 Estado del andén. Fuente: (24)
6.2.2.4 Losa y vigas
La losa y vigas se encuentran en buen estado (Ver Figura Nº 6-63), por lo cual se
le asigna una calificación de “1”, es decir “Daño pequeño pero no se requiere
reparación”.
Figura Nº 6-63 Estado de la losa y vigas. Fuente: (24)
208
6.2.2.5 Estribos, aletas y apoyos
Los apoyos y aletas (Ver Figura Nº 6-64) no presentan ningún daño importante y
se encuentran en condiciones óptimas, por lo cual se le asigna una calificación de
“0”, es decir “Sin daño o con daño insignificante”.
Figura Nº 6-64 Estado de las aletas. Fuente: (24)
Por otro lado, los estribos (Ver Figura Nº 6-65) presentan una serie de fisuras, por
lo cual se debe verificar si tienen relación alguna con falta de capacidad de carga
o son no estructurales. Es por esto, que se recomienda que este elemento tenga
inspecciones rutinarias para evaluar la evolución de las grietas. Se le asigna una
calificación de “2”, es decir “Existe daño, el componente funciona como se diseñó”.
Figura Nº 6-65 Estado del estribo. Fuente: (24)
209
6.2.2.6 Puente
Revisando el estado de cada uno de los componentes que hacen parte del puente,
especialmente los que tienen una mayor responsabilidad estructural (pilas,
estribos, losa y vigas), el puente tiene una calificación global de “2”, es decir
“Existe daño, el componente funciona como se diseñó”.
6.2.3 Protocolo
La prueba estática de carga se basó en el protocolo elaborado por la empresa
TECHINST S.A.S. Éste está fundamentado por los lineamientos establecidos en el
documento “Recomendaciones para la realización de pruebas de carga de
recepción en puentes de carretera” de la Dirección General de Carreteras del
Ministerio de Fomento de España (3).
El protocolo incluyó una descripción de todas y cada una de las etapas de la
prueba, así como los criterios de aceptación. El principal objetivo de esta prueba
de carga es el de confirmar el diseño de forma técnica y que las condiciones de
servicio de la estructura cumplan con la normatividad vigente.
6.2.4 Resultados de la prueba de carga
6.2.4.1 Carga de diseño
De acuerdo a las memorias de cálculo del puente, se determinó que la carga viva
de diseño fue la C-40-95 especificada en el Código Colombiano de Diseño
Sísmico de Puentes. (Ver (18)).
Debido a que la estructura tiene una luz menor a 28 metros (Ver numeral
5.1.1.3.1), se empleó como carga viva de diseño el camión C-40-95 y no la línea
de carga más una carga puntual.
210
6.2.4.2 Tren de Carga
Se presentan las características del tipo de carga o lastre y las correspondientes
fases o etapas que se emplearon para la prueba estática de carga.
6.2.4.2.1 Tipo de carga o lastre
La carga se basó en diferentes combinaciones mediante dos volquetas tipo doble
troque cuya configuración de ejes y cargas se presentan en la Figura Nº 6-66,
Figura Nº 6-67 y Tabla 6-29.
Figura Nº 6-66 Volqueta para la prueba de carga - Alzado lateral. Fuente: (24)
Figura Nº 6-67 Volqueta para la prueba de carga - Vista posterior y frontal. Fuente: (24)
211
Valores de peso en Toneladas
Eje Trasero Eje Delantero Total
Vacía 6.9 5.1 12
Llena 22 6 28
Tabla 6-29 Valores del peso de una volqueta tipo doble troque. Fuente: (24)
6.2.4.2.2 Estados de carga de la prueba estática
Se ejecutaron dos fases para un estado de carga, las cuales se explican a
continuación:
6.2.4.2.2.1 Estado de carga 1 – fase 1
El estado de carga 1-fase 1 consistió en una volqueta localizada tal y como se
observa en la Figura Nº 6-68, Figura Nº 6-69 y Figura Nº 6-70.
Figura Nº 6-68. Estado de carga 1, fase 1 – Excéntrico. Fuente: (24)
212
Figura Nº 6-69 Perfil, estado de carga 1 fase 1- Excéntrico. Fuente: (24)
Figura Nº 6-70 Localización de la volqueta - Estado de carga 1-fase 1. Fuente: (24)
6.2.4.2.2.2 Estado de carga 1 – fase 2
El estado de carga 1-fase 2 consistió en dos volquetas localizadas tal y como se
observa en la Figura Nº 6-71, Figura Nº 6-72 y Figura Nº 6-73.
213
Figura Nº 6-71 Estado de carga 1 - fase 2. Fuente: (24)
Figura Nº 6-72 Perfil del estado de carga 1 - fase 2. Fuente: (24)
Figura Nº 6-73 Localización de las volquetas - Estado de carga 1 fase 2. Fuente: (24)
214
6.2.4.3 Valores de deformación esperados
Los valores de desplazamientos verticales o flechas esperadas para cada fase de
carga, fueron determinados mediante un modelo estructural realizado con el
programa CSI Bridge.
Los valores esperados para cada fase de carga en la viga exterior donde el
voladizo tiene el andén (Ver Figura Nº 6-72) son los siguientes:
Viga Exterior – Voladizo Barrera Tráfico
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.99 1.16
L/3 4.4 1.74 2.01
L/2 6.6 2.10 2.40
2L/3 8.8 1.88 2.14
5L/6 11.0 1.25 1.41
Tabla 6-30 Deformaciones verticales o flechas esperadas (mm) en viga exterior izquierda del puente.
Fuente: (24)
Los desplazamientos verticales esperados para cada fase en la viga interior
central son:
Viga Interior Central
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.63 1.30
L/3 4.4 1.15 2.34
L/2 6.6 1.45 2.88
2L/3 8.8 1.35 2.63
5L/6 11.0 0.93 1.77
Tabla 6-31 Deformaciones verticales o flechas esperadas (mm) en viga central del puente. Fuente: (24)
215
6.2.4.4 Valores de momentos esperados
En la Tabla 6-32, se puede observar los valores de momento positivo esperados
en la prueba de carga y los determinados basados en las especificaciones de la
norma explicadas en el numeral 6.2.4.1 del presente documento, para la viga
exterior y la viga interior central.
Viga Exterior – Voladizo
Barrera Tráfico
Viga Interior Crítica
Fase de
Carga
Prueba
de Carga
Carga de
Diseño
% Prueba
de Carga
Carga de
Diseño
%
1 20.8 46.8 44.4% 23.6 46.8 50.5%
2 23.5 46.8 50.2% 29.5 46.8 63.0%
Tabla 6-32 Momentos positivos esperados y de diseño en el centro de luz (en Ton*m). Fuente: (24)
Cabe resaltar que la magnitud de la carga impuesta respecto de la de diseño, no
sobrepasa el 70%, con lo cual, se cumple lo requerido en el numeral 5.2.1.4.6 del
presente documento.
6.2.4.5 Valores de deformación obtenidos con la prueba estática de carga.
Los valores de desplazamientos verticales o flechas esperadas para cada fase de
carga, fueron determinados mediante la realización de la prueba estática de carga,
cuyo procedimiento se puede encontrar en el numeral 6.2.4.2.2 del presente
documento. Los valores obtenidos (en mm) medidos con topografía para cada
fase de carga en la viga exterior son los siguientes:
216
Viga Exterior – Voladizo Barrera Tráfico
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.991 1.164
L/3 4.4 1.742 2.014
L/2 6.6 2.009 2.397
2L/3 8.8 1.880 2.136
5L/6 11.0 1.245 1.408
Tabla 6-33 Deformaciones verticales o flechas obtenidas en la viga exterior izquierda del puente.
Fuente: (24)
Los desplazamientos verticales obtenidos para cada fase en la viga interior central
son:
Viga Interior Central
Posición Distancia
(m)
Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.626 1.304
L/3 4.4 1.145 2.343
L/2 6.6 1.451 2.884
2L/3 8.8 1.346 2.627
5L/6 11.0 0.927 1.768
Tabla 6-34 Deformaciones verticales o flechas obtenidas (mm) en viga central del puente. Fuente: (24)
6.2.5 Evaluación de capacidad de carga
La capacidad de carga se evaluó mediante la normativa “THE MANUAL FOR
BRIDGE EVALUATION” (12). El objeto final de este procedimiento es determinar
el factor “RF”, cuyo resultado dictaminará si el elemento tiene la capacidad de
carga adecuada a flexión y cortante. Si éste valor es superior a 1.0, el elemento
cuenta con la capacidad adecuada, si no, se debe plantear la actualización o
reforzamiento del elemento para que pueda cumplir la función para la cual fue
diseñado.
217
A continuación se expone el procedimiento realizado para evaluar la capacidad de
carga analítica para los tres vehículos de diseño previamente mencionados. Este
procedimiento se basó en el manual de evaluación de puentes (12).
6.2.5.1 Evaluación de carga muerta
Para el análisis de carga muerta se deben calcular los parámetros DC y DW. El
primero tiene en cuenta el peso que genera la losa, los bordillos, las barandas y la
propia viga. El segundo, determina la carga que genera la carpeta asfáltica sobre
la viga.
a) Viga Interior
1) Peso propio de la viga, P.P.
(( ) ( ) )
2) Peso de la losa, P.L.
( )
3) Peso de los bordillos, P.A.
218
(( ) ( ) ) * 1/5
4) Peso de las barandas, P.B.
( )
5) Peso de la carpeta asfáltica, C.A.
( )
b) Viga exterior
1) Peso propio de la viga, P.P.
219
( )
2) Peso de la losa, P.L.
( )
3) Peso de los bordillos, P.A.
(( ) ( ) ) * 1/5
4) Peso de las barandas, P.B.
( )
220
5) Peso de la carpeta asfáltica, C.A.
( )
6.2.5.2 Evaluación de carga viva
a) Factor n:
Utilizando la ecuación E 6-1:
El factor , el cual relaciona el módulo de elasticidad del material de la losa con
respecto al de la viga es igual a 1.0, debido a que ambas secciones se componen
del mismo
b) Inercia:
Empleando la ecuación E 6-2:
( ( ) )
c) Área:
221
Según la ecuación E 6-3:
d) Eje neutro de la sección (Incluye la losa):
Aplicando la ecuación E 5-5:
( ( )
a) Factor de distribución de momento ( )
El factor debe ser evaluado con dos hipótesis. La primera suponiendo que
únicamente un carril está cargado. La segunda, que dos o más carriles del puente
están copados. El mayor resultado de estas dos hipótesis será considerado como
factor de distribución de momento.
Empleando la ecuación E 5-1, gm1:
(
)
(
)
(
( ) )
222
Empleando la ecuación E 5-2, gm2:
(
)
(
)
(
( ) )
Debido a que > , se usa como parámetro .
b) Factor de distribución de cortante ( )
El factor tal y como se expresa en el numeral 5.1.1.3 debe ser calculado de la
misma manera que el parámetro de distribución de momento.
Usando la ecuación E 5-3, :
Empleando la ecuación E 5-4, gv2:
(
)
223
Debido a que > , se usa como parámetro
c) Impacto
Según las nueva Norma Colombiana de Puentes (17) y el reglamento
Estadounidense (12), se debe considerar un factor de amplificación del 33% tal y
como se describe en el numeral 5.1.1.3 de este documento. Para el caso del
código CCDSP-95, es necesario evaluar el impacto con base en la ecuación E 5-6.
Obteniéndose un factor de amplificación igual al 30%.
6.2.5.3 Máximos efectos de carga viva
6.2.5.3.1 Configuración de las cargas según su norma
Para determinar los máximos efectos que produce la carga viva, se utilizaron los
camiones de diseño HL-93, C40-95 y CC-14. Estos camiones son base para el
análisis de carga viva en las normas AASHTO LRFD bridge design specifications
del año 2014, código colombiano de diseño sísmico de puentes del año 1995
(CCDSP-95) y la norma colombiana de diseño de puentes del año 2014 (CCP-
2014) respectivamente, cuyas configuraciones se pueden encontrar en los
numerales 5.1.1.3.1 y 6 del presente documento.
6.2.5.3.2 Momento máximo según las diferentes normas evaluadas
224
En la Tabla 6-35 se presentan las máximas solicitaciones según la carga de
diseño.
Cabe resaltar que el factor de impacto (IM), únicamente afecta al momento
generado por el camión o tándem de diseño.
Momento máximo
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
Camión de Diseño 74.54 90.00 77.17
Tandem de Diseño 53.90 N.A. 75.00
Carril de Diseño 22.61 N.A 24.52
Configuración Crítica 97.15 90.00 101.69
Impacto 33% 30% 33%
(1) 121.8 117.0 127.2
Tabla 6-35 Solicitaciones máximas de momento por normativa. Fuente: Propia
La carga viva de diseño “ ( )” debe ser afectada por el factor de distribución
de momento determinado en el numeral 6.1.5.2 del presente documento, tal y
como se expresa en el numeral 5.1.1.3.1. De esta manera se obtiene la carga viva
de diseño afectada por el factor , cuyos resultados se exponen en la Tabla
6-10.
Carga viva de diseño
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
(1) 121.75 117.00 127.16
37.8 36.3 39.5
Tabla 6-36 Carga viva de diseño afectada por el factor de distribución. Fuente: Propia
a) Momento ocasionado por la carga muerta, y
a.1) Viga interior.
Usando las ecuaciones E 6-18 y E 6-19:
225
( )
( )
a.2) Viga exterior
( )
( )
6.2.5.3.2 Cortante máximo en la distancia crítica según las diferentes normas
evaluadas
a) Distancia crítica:
Según la ecuación E 5-9:
226
b) Esfuerzos cortantes en la distancia crítica según la carga de diseño.
En la Tabla 6-37 se presentan las máximas solicitaciones según la carga de
diseño.
Cabe resaltar que el factor de impacto (IM), únicamente afecta al cortante
generado por el camión o tándem de diseño.
Cortante máximo (Ton) HL-93 C40-95 CC-14
Camión de Diseño 11.61 22.55 14.13
Tandem de Diseño 8.24 N.A. 7.62
Carril de Diseño 4.23 N.A 4.61
Configuración Crítica 15.84 22.55 18.74
Impacto 33% 30% 33%
(1) 19.7 29.3 23.4
Tabla 6-37 Solicitaciones máximas de cortante por normativa. Fuente: Propia
La carga viva de diseño “ ( )” debe ser afectada por el factor de distribución
de cortante determinado en el numeral 6.1.5.2 del presente documento, tal y como
se expresa en el numeral 5.1.1.3.1. De esta manera se obtiene la carga viva de
diseño afectada por el factor , cuyos resultados se exponen en la Tabla 6-12.
Carga viva de diseño
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
(1) 19.67 29.32 23.40
8.9 13.4 10.7
Tabla 6-38 Carga viva de diseño afectada por el factor de distribución. Fuente: Propia
227
1) Cortante ocasionado por la carga muerta en la distancia crítica,
Empleando la ecuación E 6-29:
1.1) Viga interior
1.2) Viga exterior
6.2.5.4 Resistencia a la flexión nominal
228
El momento nominal se debe hallar para obtener la resistencia que posee la viga a
la flexión.
Para determinarla, se debe de hallar el ancho del ala efectivo, la distancia al eje
neutro de la sección y del refuerzo. A continuación se emplean las ecuaciones
estipuladas en el numeral 5.1.2 para así, obtener el resultado del momento
nominal.
a) Ancho del ala efectivo, .
Se debe adoptar el valor mínimo de las hipótesis presentadas en el numeral 5.1.2.
)
( )
)
)
Se usa como parámetro
b) Distancia al eje neutro,
Empleando la ecuación E 5-15:
Utilizando la ecuación E 5-16:
229
c) Distancia desde la parte superior de la sección hasta el centro del refuerzo, Ῡ.
El refuerzo cuenta con un recubrimiento de 5 cm hasta el eje de la barra.
Empleando la ecuación E 5-12:
d) Momento nominal
Según E 5-13:
(
)
6.2.5.5 Cuantía mínima
a) Resistencia a la flexión mayorada,
Empleando la ecuación E 5-17
230
b) Momento último,
En la Tabla 6-39, se presentan los resultados obtenidos con la ecuación E 5-18
correspondiente momento último según la carga de diseño.
(Ton * m) HL-93 C40-95 CC-14
Viga Interior 151.8 149.2 154.7
Viga Exterior 147.6 145.0 150.6
Tabla 6-39 Momento último según la carga de diseño. Fuente: Propia
c) Momento de agrietamiento,
A continuación se presenta el cálculo de la inercia y eje neutro de la sección
compuesta:
Ítem Área (m2) y (m) A*y Io (m4) A*(Ῡ-yi)2
Viga 0.41 0.38 0.15 0.02 0.03
Losa 0.53 0.86 0.45 0.00 0.02
Σ 0.94 0.61 0.02 0.05
Ῡb 0.65 m
I 0.08
Tabla 6-40 Cálculo de la inercia y el eje neutro de la sección compuesta. Fuente: Propia
Empleando la ecuación E 6-8:
√
Usando la ecuación E 5-20:
231
Empleando la ecuación E 5-19, se obtiene el momento de agrietamiento:
Para comprobar si el refuerzo es mayor al mínimo requerido, se deberá comprobar
la hipótesis No. 1. Si el resultado no es favorable, se analizará si se cumple la No.
2. En caso de no cumplirse ninguna de las dos hipótesis, se concluirá que la
sección no tiene el refuerzo suficiente para resistir las cargas, tal y como se
expone en el numeral 5.1.2.1.1 de este documento.
Hipótesis No. 1
= 272.51 Ton*m (Ver inciso “a” del presente numeral).
(Ton * m) HL-93 C40-95 CC-14
Viga Interior 201.9 198.4 205.8
Viga Exterior 196.4 192.9 200.3
Tabla 6-41 Hipótesis No. 1 según la normativa aplicada. Fuente: Propia
La hipótesis se cumple. Los requisitos mínimos de refuerzo son los suficientes
para resistir las cargas.
232
Hipótesis No. 2
= 272.51 Ton*m (Ver inciso “a” del presente numeral) .
La hipótesis se cumple. Se ratifica la cuantía mínima.
6.2.5.6 Cuantía máxima
a) Control de tensión
Empleando la ecuación E 5-21:
( )
Como es mayor a 0.005 la sección tiene la tensión controlada.
6.2.5.7 Resistencia nominal al corte
233
Se deben aplicar las ecuaciones E 5-10 y E 5-11, para verificar el valor de la
profundidad efectiva al corte que se debe usar en los cálculos. El mayor, será el
que gobernará el parámetro .
Empleando la ecuación E 5-10:
Utilizando la ecuación E 5-11:
Por lo tanto se adopta 0.630 m como profundidad efectiva al corte, .
b) La resistencia nominal al corte es el menor resultado de reflejen las
ecuaciones E 5-24 y E 5-25.
√
234
Utilizando la ecuación E 5-22:
Según la ecuación E 5-23:
Como < se adopta 56.34 Ton como la resistencia nominal al corte.
6.2.5.8 Resumen puente No. 2
Esfuerzo
Carga
muerta
DC
Carga
muerta
DW
Factor de
distribución
de carga
Dist. carga viva +
Impacto
Capacidad
Nominal
HL-93 C40-
95
CC-14
Viga interior
Momento
(Ton*m)
62.37 6.19
37.77 36.27 39.45 302.79
Cortante
(Ton)
7.83 0.78
8.97 13.37 10.67 56.34
Viga exterior
Momento 59.51 5.71 37.77 36.27 39.45 302.79
235
Tabla 6-42 Resumen puente no. 2. Fuente: Propia
6.2.5.9 Factor de clasificación
A continuación se especifican todos y cada uno de los factores de mayoración que
afectan el factor de clasificación teórico de la estructura:
Factor de resistencia ( ) = 0.9, debido a que la estructura tiene como material
principal el concreto u hormigón de peso normal. Ver numeral: 5.1.3.
Factor de condición ( ) = 0.95. Éste factor se obtuvo debido a que el puente,
cuenta con una calificación de dos “2” según la escala de clasificación de
SIPUCOL. Ver numerales: 6.2.2.6 y 5.1.35.2.1.2.
Factor de sistema ( ) = 1.0, debido a que la tipología del puente corresponde a
“Viga y losa”. Ver numeral: 5.1.3.
Los factores a emplear en la ecuación E 5-26 varían de acuerdo al nivel de
servicio que se quiera revisar. En el numeral 6.1.5.9 del presente documento
exponen los coeficientes del nivel de inventario y de operación según la el manual
de evaluación de puentes de la AASHTO 2014, Ver numeral: 5.1.3
A continuación se exponen los factores de clasificación teóricos según el nivel y
estado límite evaluado.
(Ton*m)
Cortante
(Ton)
7.48 0.72
8.97 13.37 10.67 56.34
236
Estado límite de resistencia
i. Nivel de inventario
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 2.6 2.7 2.5
Cortante 2.4 1.6 2.0
Viga Exterior
Momento 2.6 2.8 2.6
Cortante 2.4 1.6 2.0
Tabla 6-43 Factor de clasificación teórico, nivel de inventario. Fuente: Propia
ii. Nivel de operación
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 3.4 3.5 3.2
Cortante 3.1 2.1 2.6
237
Viga Exterior
Momento 3.5 3.6 3.3
Cortante 3.1 2.1 2.6
Tabla 6-44 Factor de clasificación teórico, nivel de operación. Fuente: Propia
Estado límite de servicio
i. Nivel de inventario
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 2.9 3.0 2.8
Cortante 2.5 1.7 2.1
Viga Exterior
Momento 2.9 3.1 2.8
Cortante 2.6 1.7 2.1
Tabla 6-45 Factor de clasificación teórico, nivel de inventario. Fuente: Propia
ii. Nivel de operación
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 3.7 3.9 3.6
Cortante 3.3 2.2 2.6
238
Viga Exterior
Momento 3.8 3.9 3.6
Cortante 3.3 2.2 2.8
Tabla 6-46 Factor de clasificación teórico, nivel de operación. Fuente: Propia
6.2.6 Estado real de la estructura
Para determinar el factor de clasificación ajustado con los resultados de la prueba
estática de carga medidos con instrumentos de topografía y telémetros, se deben
emplear las ecuaciones descritas en el numeral 5.3 del presente documento.
A continuación se presentan los valores de los factores , y . Éstos se
usarán para hallar el factor de ajuste K, el cual “calibrara” el factor de clasificación
teórico, y así, determinar la capacidad de carga real del puente.
a) Fase 1
1. Viga interior
= 1.45 mm (Ver numeral 6.2.4.3)
= 1.4514 mm (Ver numeral 6.2.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
2. Viga exterior
= 2.1 mm (Ver numeral 6.2.4.3)
= 2.01 mm (Ver numeral 6.2.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
b) Fase 2
1. Viga interior
239
= 2.88 mm (Ver numeral 6.2.4.3)
= 2.8849 mm (Ver numeral 6.2.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
2. Viga exterior
= 2.40 mm (Ver numeral 6.2.4.3)
= 2.39 mm (Ver numeral 6.2.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
A continuación se presentan los factores de clasificación ajustados con la prueba
estática de carga para el estado límite de resistencia y servicio.
Estado límite de resistencia
i) Nivel de inventario
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 2.6 2.6 2.7 2.7 2.5 2.5
Cortante 2.4 2.4 1.6 1.6 1.9 1.9
Viga Exterior
Momento 2.7 2.7 2.8 2.8 2.6 2.6
Cortante 2.5 2.4 1.7 1.6 2.1 2.0
240
Tabla 6-47 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: Propia
Figura Nº 6-74 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-75 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
2,35
2,40
2,45
2,50
2,55
2,60
2,65
2,70
2,75
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
241
Figura Nº 6-76 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
2,30
2,40
2,50
2,60
2,70
2,80
2,90
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
242
Figura Nº 6-77 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
v) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 3.4 3.4 3.5 3.5 3.2 3.2
Cortante 3.1 3.1 2.1 2.1 2.6 2.6
Viga Exterior
Momento 3.6 3.5 3.7 3.6 3.4 3.3
Cortante 3.2 3.1 2.2 2.1 2.7 2.6
Tabla 6-48 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
243
Figura Nº 6-78 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-79 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
3,00
3,10
3,20
3,30
3,40
3,50
3,60
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
244
Figura Nº 6-80 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-81 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
Estado límite de servicio
3,00
3,10
3,20
3,30
3,40
3,50
3,60
3,70
3,80
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
245
i) Nivel de inventario
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 29 2.9 3.0 2.9 2.6 2.6
Cortante 2.5 2.5 1.7 1.7 2.1 2.1
Viga Exterior
Momento 3.0 2.9 3.2 3.1 2.9 2.8
Cortante 2.6 2.6 1.8 1.7 2.2 2.6
Tabla 6-49 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: Propia
Figura Nº 6-82 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
2,602,652,702,752,802,852,902,953,003,05
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
246
Figura Nº 6-83 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-84 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
2,60
2,70
2,80
2,90
3,00
3,10
3,20
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
247
Figura Nº 6-85 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de inventario en la viga exterior. Fuente:
Propia
ii) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 3.7 3.7 3.9 3.9 3.6 3.6
Cortante 3.3 3.3 2.2 2.2 2.7 2.7
Viga Exterior
Momento 3.9 3.8 4.1 3.9 3.8 3.6
Cortante 3.4 3.3 2.3 2.2 2.9 2.8
Tabla 6-50 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
248
Figura Nº 6-86 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-87 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga interior. Fuente:
Propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
249
Figura Nº 6-88 Factor de clasificación (RF) de momento, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
Figura Nº 6-89 Factor de clasificación (RF) de cortante, nivel de operación en la viga exterior. Fuente:
Propia
3,40
3,50
3,60
3,70
3,80
3,90
4,00
4,10
4,20
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
250
6 . 3 P u e n t e N o . 3
6.3.1 Introducción
Se presentan los resultados de la prueba estática de carga realizada a un puente
vehicular de concreto reforzado (Ver numeral 6.3.4), ejecutada por la empresa
Techinst S.A.S (25). Además, se evalúa la capacidad de carga analítica (Ver
numeral 6.3.5) para luego ser ajustada, con los resultados de la prueba estática de
carga. (Ver numeral 6.3.6).
El puente tiene un tablero simplemente apoyado de una sola luz de 13.8 mts.
Está conformado por una placa maciza y cinco vigas en concreto reforzado (Ver
Figura Nº 6-90 y Figura Nº 6-91). El ancho del tablero es de 11.60 mts e incluye
en un costado un andén de 0.95 (mts) de ancho con una baranda combinada y
barrera de tráfico en el otro costado. (Ver Figura Nº 6-92). La infraestructura está
compuesta por 2 apoyos extremos (estribos) con cimentación profunda. (Ver
Figura Nº 6-93).
Figura Nº 6-90 Alzado del puente. Fuente: (25)
251
Figura Nº 6-91 Vigas y riostras de la estructura. Fuente: (25)
Figura Nº 6-92 Sección transversal del puente. Fuente: (25)
252
Figura Nº 6-93 Estribos y pilas de la estructura. Fuente: (25)
6.3.2 Inspección visual
A cada componente del puente se le realizó una inspección visual utilizando la
metodología del Sistema de Administración de Puentes de Colombia – SIPUCOL,
la cual se puede consultar en las referencias (20) y (6). La escala de calificación
para la inspección visual que se utilizó para el diagnóstico preliminar de cada
componente de la estructura se puede encontrar en el numeral 5.2.1.2 del
presente documento.
6.3.2.1 Superficie de rodadura, barreras y barandas
La superficie de rodadura, barreras y barandas del tablero del puente se
encuentran en buen estado, es por eso que su calificación es de “0”, es decir “Sin
daño o con daño insignificante”, tal y como se puede observar en las siguientes
figuras.
253
Figura Nº 6-94 Estado de la superficie de rodadura. Fuente: (25)
Figura Nº 6-95 Estado de la baranda y barrera. Fuente: (25)
En la inspección se encontraron algunos daños en las defensas metálicas (Ver
Figura Nº 6-96). Debido al daño que tiene la defensa, se debe realizar una
revisión detallada del elemento, para de esta manera definir su adecuación. Por lo
tanto, la defensa metálica tiene una calificación de “3” que indica “Daño
significativo, se requiere pronta reparación”.
254
Figura Nº 6-96 Estado de las defensas metálicas. Fuente: (25)
6.3.2.2 Juntas de dilatación
Las dos juntas de dilatación, localizadas en los extremos del tablero, cumplen por
el momento su función estructural de forma adecuada. No obstante, se encontró
que parte del mortero presentante un grado mínimo de fisuración, lo cual puede
hacer que la junta se deteriore y pierda su estabilidad, por lo tanto es necesario su
revisión y posterior reparación (Ver Figura Nº 6-97).
Figura Nº 6-97 Estado de la junta de dilatación. Fuente: (25)
255
Según la escala de calificación de SIPUCOL, las juntas de dilatación tienen una
calificación de “2”, es decir “Existe daño, el componente funciona como se diseñó”.
6.3.2.3 Andén
Los andenes no presentan ningún daño significativo (Ver Figura Nº 6-98). Éste
componente tiene una calificación de “0”, es decir “Sin daño o con daño
insignificante”, basado en la escala de calificación que se expone en el numeral
6.3.2.
Figura Nº 6-98 Estado del andén. Fuente: (25)
6.3.2.4 Losa y vigas
La losa y vigas se encuentran en buen estado (Ver Figura Nº 6-99), por lo cual se
le asigna una calificación de “0”, es decir “Sin daño o con daño insignificante”.
256
Figura Nº 6-99 Estado de la losa y vigas. Fuente: (25)
Las riostras presentan el acero expuesto, consecuencia de la mala ejecución en
su proceso constructivo, más concretamente en la fundida. (Ver Figura Nº 6-100).
Siguiendo los lineamientos de SIPUCOL, éste elemento tendrá una calificación de
“2”, es decir “Existe daño, el componente funciona como se diseñó”.
Figura Nº 6-100 Estado de las riostras. Fuente: (25)
257
6.3.2.5 Estribos, aletas y apoyos
Los estribos, aletas y apoyos no presentan daño alguno (Ver Figura Nº 6-93) y se
encuentran en buen estado. Se le asigna una calificación de “0”, es decir “Sin
daño o con daño insignificante”.
6.3.2.6 Puente
Con base en la revisión del estado actual de la estructura, siguiendo los
lineamientos establecidos en el SIPUCOL, se le asigna una calificación de “0”, es
decir “Sin daño o con daño insignificante”. Esta calificación se le otorga debido a la
revisión hecha en los elementos que poseen una mayor importancia desde el
punto de vista estructural. Tales como: vigas, losa, estribos y pilas.
6.3.3 Protocolo
La prueba estática de carga se basó en el protocolo elaborado por la empresa
TECHINST S.A.S. Éste está fundamentado por los lineamientos establecidos en el
documento “Recomendaciones para la realización de pruebas de carga de
recepción en puentes de carretera” de la Dirección General de Carreteras del
Ministerio de Fomento de España (3).
El protocolo incluyó una descripción de todas y cada una de las etapas de la
prueba, así como los criterios de aceptación. Dentro de sus actividades se explica
al detalle la carga de diseño, el tipo de carga, las fases o estados de carga y las
deflexiones con sus respectivos momentos teóricos.
258
6.3.4 Resultados de la prueba de carga
6.3.4.1 Carga de diseño
De acuerdo a las memorias de cálculo del puente, se determinó que la carga viva
de diseño fue la C-40-95 especificada en el Código Colombiano de Diseño
Sísmico de Puentes. (Ver (18)).
Debido a que la estructura tiene una luz menor a 28 metros (Ver numeral
5.1.1.3.1), se empleó como carga viva de diseño el camión C-40-95 y no la línea
de carga más una carga puntual.
6.3.4.2 Tren de carga
A continuación se presentan las características del tipo de carga o lastre y las
correspondientes fases o etapas que se emplearon para la prueba estática de
carga.
6.3.4.2.1 Tipo de carga o lastre
La carga se basó en diferentes combinaciones mediante dos volquetas tipo doble
troque cuya configuración de ejes y cargas se presentan en la Figura Nº 6-101,
Figura Nº 6-102 y Tabla 6-51.
259
Figura Nº 6-101 Volqueta para la prueba de carga - Alzado lateral. Fuente: (25)
Figura Nº 6-102 Volqueta para la prueba de carga - Vista posterior y frontal. Fuente: (25)
Valores de peso en Toneladas
Eje Trasero Eje Delantero Total
Vacía 6.9 5.1 12
Llena 22 6 28
Tabla 6-51 Valores de peso de una volqueta tipo doble troque. Fuente: (25)
6.3.4.2.2 Estados de carga de la prueba estática
Se deben de tener en cuenta medidas elementales de precaución (3) para que se
pueda tener conocimiento de que el comportamiento de la estructura es correcto.
Es claro que esto incluye las medidas de seguridad idóneas para realizar la
260
prueba estática de carga. Debido a esto, se ejecutaron dos fases para un estado
de carga las cuales se explican a continuación.
6.3.4.2.2.1 Estado de carga 1 – fase 1
El estado de carga 1-fase 1 consistió en una volqueta localizada tal y como se
observa en la Figura Nº 6-103 y Figura Nº 6-104.
Figura Nº 6-103 Estado de carga 1 fase 1 - Excéntrico. Fuente: (25)
261
Figura Nº 6-104 Perfil, estado de carga 1 fase 1 - Excéntrico. Fuente: (25)
6.3.4.2.2.2 Estado de carga 1 – fase 2
El estado de carga 1-fase 2 consistió en dos volquetas localizadas tal y como se
observa en la Figura Nº 6-105 y Figura Nº 6-106.
Figura Nº 6-105 Estado de carga 1 fase 2. Fuente: (25)
262
Figura Nº 6-106 Perfil del estado de carga 1 fase 2. Fuente: (25)
6.3.4.3 Valores de deformación esperados
Los valores de desplazamientos verticales o flechas esperadas para cada fase de
carga, fueron determinados mediante un modelo estructural realizado con el
programa CSI Bridge.
Las flechas analíticas esperadas (en mm) para cada fase en la viga exterior
izquierda son las siguientes:
Viga Exterior – Voladizo Barrera Tráfico
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.9 1.0
L/3 4.4 1.5 1.9
L/2 6.6 1.8 2.3
2L/3 8.8 1.6 2.1
5L/6 11.0 1.1 1.4
Tabla 6-52 Deformaciones verticales o flechas esperadas (mm) en viga exterior izquierda del puente.
Fuente: (25)
263
Los desplazamientos verticales esperados para cada fase en la viga interior
central son:
Viga Interior Central
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.7 1.5
L/3 4.4 1.3 2.6
L/2 6.6 1.6 3.2
2L/3 8.8 1.5 2.9
5L/6 11.0 1.0 2.0
Tabla 6-53 Deformaciones verticales o flechas esperadas (mm) en viga central del puente. Fuente: (25)
6.3.4.4 Valores de momentos esperados
En la Tabla 6-54, se puede observar los valores de momento positivo esperados
en la prueba de carga y los determinados basados en las especificaciones de la
norma explicadas en el numeral 6.3.4.1 del presente documento, para la viga
exterior y la viga interior central.
Viga Exterior – Voladizo
Barrera Tráfico
Viga Interior Crítica
Fase de
Carga
Prueba
de Carga
Carga de
Diseño
% Prueba
de Carga
Carga de
Diseño
%
1 17.8 48.9 36.5% 15.8 48.9 32.4%
2 22.3 48.9 45.6% 31.7 48.9 64.9%
Tabla 6-54 Momentos positivos esperados y de diseño en el centro de la luz (en Ton*m). Fuente: (25)
Cabe resaltar que la magnitud de la carga impuesta respecto de la de diseño, no
sobrepasa el 70%, con lo cual, se cumple lo requerido en el numeral 5.2.1.4.6 del
presente documento.
264
6.3.4.5 Valores de deformación obtenidos con la prueba estática de carga.
Realizada la prueba de carga, siguiendo los parámetros expuestos en el numeral
6.3.3 y 6.3.4 del presente documento, se lograron obtener diversos valores de
deflexión para cada fase de carga tanto en la viga exterior como interior, y se
pueden encontrar a continuación:
Viga Exterior – Voladizo Barrera Tráfico
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 1.00 1.00
L/3 4.4 1.00 2.00
L/2 6.6 0.00 1.00
2L/3 8.8 1.00 1.00
5L/6 11.0 0.00 0.00
Tabla 6-55 Deformaciones verticales o flechas obtenidas (mm) en viga exterior izquierda del puente.
Fuente: (25)
Los desplazamientos verticales obtenidos para cada fase en la viga interior central
son:
Viga Interior Central
Posición Distancia (m) Estado de Carga 1
Fase 1 (mm) Fase 2 (mm)
L/6 2.2 0.00 1.00
L/3 4.4 1.00 3.00
L/2 6.6 1.80 3.00
2L/3 8.8 1.00 2.00
5L/6 11.0 0.00 1.00
Tabla 6-56 Deformaciones verticales o flechas obtenidas (mm) en viga central del puente. Fuente: (25)
265
6.3.5 Evaluación de capacidad de carga
La capacidad de carga se evaluó mediante la normativa “THE MANUAL FOR
BRIDGE EVALUATION” (12). El objeto final de este procedimiento es determinar
el factor “RF”, cuyo resultado dictaminará si el elemento tiene la capacidad de
carga adecuada a flexión y cortante. Si éste valor es superior a 1.0, el elemento
cuenta con la capacidad adecuada, si no, se debe plantear la actualización o
reforzamiento del elemento para que pueda cumplir la función para la cual fue
diseñado.
A continuación se expone el procedimiento realizado para evaluar la capacidad de
carga analítica para los tres vehículos de diseño previamente mencionados. Este
procedimiento se basó en el manual de evaluación de puentes (12).
6.3.5.1 Evaluación de carga muerta
Para el análisis de carga muerta se deben calcular los parámetros DC y DW. El
primero tiene en cuenta el peso que genera la losa, los bordillos, las barandas y la
propia viga. El segundo, determina la carga que genera la carpeta asfáltica sobre
la viga.
a) Viga Interior
1) Peso propio de la viga, P.P.
(( ) ( ) )
2) Peso de la losa, P.L.
266
( )
3) Peso de los bordillos, P.A.
(( ) ( ) ) * 1/5
4) Peso de las barandas, P.B.
( )
5) Peso de la carpeta asfáltica, C.A.
( )
267
b) Viga exterior
1) Peso propio de la viga, P.P.
(( ) ( ) )
2) Peso de la losa, P.L.
( )
3) Peso de los bordillos, P.A.
(( ) ( ) ) * 1/5
4) Peso de las barandas, P.B.
( )
268
5) Peso de la carpeta asfáltica, C.A.
( )
6.3.5.2 Evaluación de carga viva
a) Factor n:
Utilizando la ecuación E 6-1:
El factor , el cual relaciona el módulo de elasticidad del material de la losa con
respecto al de la viga es igual a 1.0, debido a que ambas secciones se componen
del mismo.
b) Inercia:
Empleando la ecuación E 6-2:
( ( ) )
269
c) Área:
Según la ecuación E 6-3:
d) Eje neutro de la sección (Incluye la losa):
Aplicando la ecuación E 5-5:
( ( )
a) Factor de distribución de momento ( )
El factor debe ser evaluado con dos hipótesis. La primera suponiendo que
únicamente un carril está cargado. La segunda, que dos o más carriles del puente
están copados. El mayor resultado de estas dos hipótesis será considerado como
factor de distribución de momento.
Empleando la ecuación E 5-1, gm1:
(
)
(
)
(
( ) )
270
Empleando la ecuación E 5-2, gm2:
(
)
(
)
(
( ) )
Debido a que > , se usa como parámetro .
b) Factor de distribución de cortante ( )
El factor tal y como se expresa en el numeral 5.1.1.3 debe ser calculado de la
misma manera que el parámetro de distribución de momento.
Usando la ecuación E 5-3, :
271
Empleando la ecuación E 5-4, gv2:
(
)
Debido a que > , se usa como parámetro
c) Impacto
Según las nueva Norma Colombiana de Puentes (17) y el reglamento
Estadounidense (12), se debe considerar un factor de amplificación del 33% tal y
como se describe en el numeral 5.1.1.3 de este documento. Para el caso del
código CCDSP-95, es necesario evaluar el impacto con base en la ecuación E 5-6.
Obteniéndose un factor de amplificación igual al 30%.
6.3.5.3 Máximos efectos de carga viva
6.3.5.3.1 Configuración de las cargas según su norma
Para determinar los máximos efectos que produce la carga viva, se utilizaron los
camiones de diseño HL-93, C40-95 y CC-14. Estos camiones son base para el
análisis de carga viva en las normas AASHTO LRFD bridge design specifications
del año 2014, código colombiano de diseño sísmico de puentes del año 1995
(CCDSP-95) y la norma colombiana de diseño de puentes del año 2014 (CCP-
2014) respectivamente, cuyas configuraciones se pueden encontrar en los
numerales 5.1.1.3.1 y 6 del presente documento.
272
6.3.5.3.2 Momento máximo según las diferentes normas evaluadas
En la Tabla 6-57 se presentan las máximas solicitaciones según la carga de
diseño.
Cabe resaltar que el factor de impacto (IM), únicamente afecta al momento
generado por el camión o tándem de diseño.
Momento máximo
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
Camión de Diseño 74.54 90.00 77.17
Tandem de Diseño 53.90 N.A. 75.00
Carril de Diseño 22.61 N.A 24.52
Configuración Crítica 97.15 90.00 101.69
Impacto 33% 30% 33%
(1) 121.8 117.0 127.2
Tabla 6-57 Solicitaciones máximas de momento por normativa. Fuente: propia
La carga viva de diseño “ ( )” debe ser afectada por el factor de distribución
de momento determinado en el numeral 6.1.5.2 del presente documento, tal y
como se expresa en el numeral 5.1.1.3.1. De esta manera se obtiene la carga viva
de diseño afectada por el factor , cuyos resultados se exponen en la Tabla
6-10.
Carga viva de diseño
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
(1) 121.75 117.00 127.16
37.8 36.3 39.5
Tabla 6-58 Carga viva de diseño afectada por el factor de distriución. Fuente: Propia
a) Momento ocasionado por la carga muerta, y
a.1) Viga interior
273
Usando las ecuaciones E 6-18 y E 6-19:
( )
( )
a.2) Viga exterior
( )
( )
6.3.5.3.3 Cortante máximo en la distancia crítica según las diferentes normas
evaluadas
a) Distancia crítica
274
Según la ecuación E 5-9:
b) Esfuerzos cortantes en la distancia crítica según la carga de diseño.
En la Tabla 6-59 se presentan las máximas solicitaciones según la carga de
diseño.
Cabe resaltar que el factor de impacto (IM), únicamente afecta al cortante
generado por el camión o tándem de diseño.
Cortante máximo (Ton) HL-93 C40-95 CC-14
Camión de Diseño 11.61 22.55 14.13
Tandem de Diseño 8.24 N.A. 7.62
Carril de Diseño 4.23 N.A 4.61
Configuración Crítica 15.84 22.55 18.74
Impacto 33% 30% 33%
(1) 19.67 29.32 23.40
Tabla 6-59 Solicitaciones máximas de cortante por normativa. Fuente: propia
La carga viva de diseño “ ( )” debe ser afectada por el factor de distribución
de cortante determinado en el numeral 6.1.5.2 del presente documento, tal y como
se expresa en el numeral 5.1.1.3.1. De esta manera se obtiene la carga viva de
diseño afectada por el factor , cuyos resultados se exponen en la Tabla 6-12.
Carga viva de diseño
(Ton*m)
HL-93 C40-95 CC-14
(1) 19.67 29.32 23.40
8.9 13.4 10.7
Tabla 6-60 Carga viva de diseño afectada por el factor de distribución de cortante. Fuente: propia
275
1) Cortante ocasionado por la carga muerta en la distancia crítica,
Empleando la ecuación E 6-29:
1.1) Viga interior
1.2) Viga exterior
276
6.3.5.4 Resistencia a la flexión nominal
El momento nominal se debe hallar para obtener la resistencia que posee la viga a
la flexión.
Para determinarla, se debe de hallar el ancho del ala efectivo, la distancia al eje
neutro de la sección y del refuerzo. A continuación se emplean las ecuaciones
estipuladas en el numeral 5.1.2 para así, obtener el resultado del momento
nominal.
a) Ancho del ala efectivo, .
Se debe adoptar el valor mínimo de las hipótesis presentadas en el numeral 5.1.2.
)
( )
)
)
Se usa como parámetro
b) Distancia al eje neutro,
Empleando la ecuación E 5-15:
277
Utilizando la ecuación E 5-16:
c) Distancia desde la parte superior de la sección hasta el centro del refuerzo, Ῡ.
El refuerzo cuenta con un recubrimiento de 5 cm hasta el eje de la barra.
Empleando la ecuación E 5-12:
d) Momento nominal :
Según E 5-13:
(
)
6.3.5.5 Cuantía mínima
278
b) Resistencia a la flexión mayorada,
Empleando la ecuación E 5-17
c) Momento último,
En la Tabla 6-61 se presentan los resultados obtenidos con la ecuación E 5-18
correspondiente momento último según la carga de diseño.
(Ton * m) HL-93 C40-95 CC-14
Viga Interior 152.4 149.8 155.3
Viga Exterior 148.5 145.9 151.5
Tabla 6-61 Momento último según la carga de diseño. Fuente: propia
d) Momento de agrietamiento,
A continuación se presenta el cálculo de la inercia y eje neutro de la sección
compuesta:
Ítem Área (m2) y (m) A*y Io (m4) A*(Ῡ-yi)2
Viga 0.41 0.38 0.15 0.02 0.03
Losa 0.53 0.86 0.45 0.00 0.02
Σ 0.94 0.61 0.02 0.05
Ῡb 0.65 m
I 0.08
Tabla 6-62 Cálciulo de inercia y eje neutro de la sección compuesta. Fuente: propia
Empleando la ecuación E 6-8:
279
√
Usando la ecuación E 5-20:
Empleando la ecuación E 5-19, se obtiene el momento de agrietamiento:
Para comprobar si el refuerzo es mayor al mínimo requerido, se deberá comprobar
la hipótesis No. 1. Si el resultado no es favorable, se analizará si se cumple la No.
2. En caso de no cumplirse ninguna de las dos hipótesis, se concluirá que la
sección no tiene el refuerzo suficiente para resistir las cargas, tal y como se
expone en el numeral 5.1.2.1.1 de este documento.
Hipótesis No. 1
= 272.51 Ton*m (Ver inciso “a” del presente numeral).
(Ton * m) HL-93 C40-95 CC-14
Viga Interior 202.7 199.2 206.6
Viga Exterior 197.5 194.0 201.4
Tabla 6-63 Hipótesis No. 1. Fuente: propia
280
La hipótesis se cumple. Los requisitos mínimos de refuerzo son los suficientes
para resistir las cargas.
Hipótesis No. 2
= 272.51 Ton*m (Ver inciso “a” del presente numeral) .
La hipótesis se cumple. Se ratifica la cuantía mínima.
6.3.5.6 Cuantía máximo
a) Control de tensión
Empleando la ecuación E 5-21:
( )
Como es mayor a 0.005 la sección tiene la tensión controlada.
281
6.3.5.7 Resistencia nominal al corte
Se deben aplicar las ecuaciones E 5-10 y E 5-11, para verificar el valor de la
profundidad efectiva al corte que se debe usar en los cálculos. El mayor, será el
que gobernará el parámetro .
Empleando la ecuación E 5-10:
Utilizando la ecuación E 5-11:
Por lo tanto se adopta 0.630 m como profundidad efectiva al corte, .
a) La resistencia nominal al corte es el menor resultado de reflejen las
ecuaciones E 5-24 y E 5-25.
√
282
Utilizando la ecuación E 5-22:
Según la ecuación E 5-23:
Como < se adopta 56.34 Ton como la resistencia nominal al corte.
6.3.5.8 Resumen puente No. 3
283
Tabla 6-64 Resumen puente No. 3. Fuente: Propia
6.3.5.9 Factor de clasificación
A continuación se especifican todos y cada uno de los factores de mayoración que
afectan el factor de clasificación teórico de la estructura:
Factor de resistencia ( ) = 0.9, debido a que la estructura tiene como material
principal el concreto u hormigón de peso normal. Ver numeral: 5.1.3.
Factor de condición ( ) = 1.0. Éste factor se obtuvo debido a que el puente,
cuenta con una calificación de cero “0” según la escala de clasificación de
SIPUCOL. Ver numerales: 6.3.2.66.2.2.6 y 5.1.35.2.1.2.
Esfuerzo
Carga
muerta
DC
Carga
muerta
DW
Factor de
distribució
n de carga
Dist. carga viva +
Impacto
Capacid
ad
Nominal HL-93 C40-95 CC-14
Viga interior
Momento
(Ton*m)
62.85 6.19
37.77 36.27 39.45 302.79
Cortante
(Ton)
7.89 0.78
8.97 13.37 10.67 56.34
Viga exterior
Momento
(Ton*m)
60.23 5.71
37.77 36.27 39.45 302.79
Cortante
(Ton)
7.56 0.72
8.97 13.37 10.67 56.34
284
Factor de sistema ( ) = 1.0, debido a que la tipología del puente corresponde a
“Viga y losa”. Ver numeral: 5.1.3.
Los factores a emplear en la ecuación E 5-26 varían de acuerdo al nivel de
servicio que se quiera revisar. En el numeral 6.1.5.9 del presente documento
exponen los coeficientes del nivel de inventario y de operación según la el manual
de evaluación de puentes de la AASHTO 2014, Ver numeral: 5.1.3
A continuación se exponen los factores de clasificación teóricos según el nivel y
estado límite evaluado.
Estado límite de resistencia
i. Nivel de inventario
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 2.8 2.9 2.7
Cortante 2.5 1.7 2.1
Viga Exterior
Momento 2.8 2.9 2.7
Cortante 2.6 1.7 2.2
Tabla 6-65 Factor de clasificación teórico, nivel de inventario. Fuente: Propia
285
ii. Nivel de operación
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 3.6 3.8 3.5
Cortante 3.3 2.2 2.8
Viga Exterior
Momento 3.7 3.9 3.5
Cortante 3.3 2.2 2.8
Tabla 6-66 Factor de clasificación teórico, nivel de operación. Fuente: Propia
Estado límite de servicio
i. Nivel de inventario
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 3.1 3.2 2.9
Cortante 2.7 1.8 2.3
Viga Exterior
Momento 3.1 3.3 2.9
Cortante 2.7 1.8 2.3
Tabla 6-67 Factor de clasificación teórico, nivel de inventario. Fuente: Propia
286
ii. Nivel de operación
Factor de
clasificación
teórico, RFC.
HL-93
C40-95
CC-14
Viga Interior
Momento 3.9 4.2 3.8
Cortante 3.5 2.3 2.9
Viga Exterior
Momento 4.1 4.2 3.9
Cortante 3.5 2.4 2.9
Tabla 6-68 Factor de clasificación teórico, nivel de operación. Fuente: Propia
6.3.6 Estado real de la estructura
Para determinar el factor de clasificación ajustado con los resultados de la prueba
estática de carga medidos con instrumentos de topografía y telémetros, se deben
emplear las ecuaciones descritas en el numeral 5.3 del presente documento.
A continuación se presentan los valores de los factores , y . Éstos se
usarán para hallar el factor de ajuste K, el cual “calibrara” el factor de clasificación
teórico, y así, determinar la capacidad de carga real del puente.
a) Fase 1
1. Viga interior
= 1.6 mm (Ver numeral 6.3.4.3)
= 1.8 mm (Ver numeral 6.3.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
287
2. Viga exterior
= 1.8 mm (Ver numeral 6.3.4.3)
= 1.00 mm (Ver numeral 6.3.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
b) Fase 2
1. Viga interior
= 3.2 mm (Ver numeral 6.3.4.3)
= 3.0 mm (Ver numeral 6.3.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
2. Viga exterior
= 2.3 mm (Ver numeral 6.3.4.3)
= 1.0 mm (Ver numeral 6.3.4.5)
= 0.8 (Ver Tabla 4-1)
A continuación se presentan los factores de clasificación ajustados con la prueba
estática de carga para el estado límite de resistencia y servicio.
288
Estado límite de resistencia
i) Nivel de inventario
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 2.5 2.9 2.7 3.1 2.4 2.8
Cortante 2.3 2.7 1.5 1.8 1.9 2.2
Viga Exterior
Momento 4.7 5.8 4.9 6.1 4.5 5.6
Cortante 4.2 5.2 2.8 3.5 3.5 4.4
Tabla 6-69 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: propia
Figura Nº 6-107 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
Fuente: propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
289
Figura Nº 6-108 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
Fuente: propia
Figura Nº 6-109 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
Fuente: propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
290
Figura Nº 6-110 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
Fuente: propia
ii) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 3.3 3.8 3.4 3.9 3.2 3.7
Cortante 2.9 3.5 2.0 2.3 2.5 2.9
Viga Exterior
Momento 6.1 7.6 6.3 7.9 5.8 7.2
Cortante 5.4 6.8 3.6 4.54 4.6 5.7
Tabla 6-70 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
291
Figura Nº 6-111 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de operación en la viga interior.
Fuente: propia
Figura Nº 6-112 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
Fuente: propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
292
Figura Nº 6-113 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
Fuente: propia
Figura Nº 6-114 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
Fuente: propia
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
293
Estado límite de servicio
i) Nivel de inventario
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 2.8 3.2 2.9 3.4 2.7 3.1
Cortante 2.4 2.8 1.6 1.9 2.1 2.4
Viga Exterior
Momento 5.1 6.4 5.3 6.6 4.9 6.1
Cortante 4.4 5.5 2.9 3.7 3.7 4.6
Tabla 6-71 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de inventario.
Fuente: propia
Figura Nº 6-115 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
Fuente: propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
294
Figura Nº 6-116 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
Fuente: propia
Figura Nº 6-117 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
Fuente: propia
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
295
Figura Nº 6-118 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
Fuente: propia
ii) Nivel de operación
Factor de
clasificación
ajustado, RFT.
HL-93
C40-95
CC-14
Fase I Fase II Fase I Fase II Fase I Fase II
Viga Interior
Momento 3.6 4.2 3.8 4.4 3.5 4.0
Cortante 3.2 3.7 2.1 2.5 2.7 3.1
Viga Exterior
Momento 6.6 8.3 6.9 8.6 6.4 7.9
Cortante 5.7 7.2 3.8 4.8 4.8 6.0
Tabla 6-72 Factor de clasificación ajustado con la prueba estática de carga, nivel de operación.
Fuente: Propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de inventario en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
296
Figura Nº 6-119 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de operación en la viga interior.
Fuente: propia
Figura Nº 6-120 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
Fuente: propia
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga interior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
297
Figura Nº 6-121 Factor de clasificación (RF) de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
Fuente: propia
Figura Nº 6-122 Factor de clasificación (RF) de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
Fuente: propia
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de momento en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
HL-93 C40-95 CC-14
Factor de clasificación de cortante en el nivel de operación en la viga exterior.
AJUSTADO EN LA FASE I AJUSTADO EN LA FASE II TEORICO
298
7 A N A L I S I S D E R E S U LTA D O S
7 . 1 P u e n t e N o . 1
El factor de clasificación (RF) de la viga interior central disminuye al ajustarse con
los resultados de la prueba estática de carga. Aun así reduciéndose un 25%, los
resultados mínimos de RF son 1.88 y 1.56 a momento y cortante respectivamente.
Con esto se ratifica que la viga cuenta con la capacidad suficiente para resistir las
cargas de diseño estipuladas en las normas: AASHTO (12), CCDSP-95 (18) y
CCDSP 2014 (17).
Según la escala de clasificación de SIPUCOL (6) e (20), el puente tiene una
puntuación de 2 (Existe daño, el componente funciona como se diseñó). Se
recomienda realizar inspecciones periódicas de la evolución del daño para
asegurar que el factor de clasificación sea mantenga mayor a 1.0; además de
contar con el tiempo suficiente para reforzar o rehabilitar la estructura si así lo
requiere.
La viga exterior aumenta su factor de clasificación cuando éste se ajusta con la
prueba estática de carga. Indirectamente demuestra que el proceso constructivo y
la calidad de los materiales empleados fueron los adecuados. Los valores
mínimos de momento y cortante ajustados, correspondientes a la carga de diseño
CC-14 estipulada en el nuevo código de diseño sísmico de puentes de Colombia,
son 2.77 y 2.29 respectivamente, determinados en el estado límite de resistencia
a nivel de inventario. Estos resultados aumentaron en un 8.8% con respecto al
determinado analíticamente.
299
7 . 2 P u e n t e N o . 2
La estructura no presenta grandes cambios en su factor de clasificación analítico
con respecto al ajustado con la prueba estática de carga. Los valores de deflexión
esperados son prácticamente los mismos a los obtenidos en la prueba. Esto
quiere decir que el puente fue construido tal y como fue diseñado. Los resultados
obtenidos con el factor de clasificación ajustado, demuestran que la estructura
obtuvo un buen control tanto en su proceso constructivo como en la calidad de los
materiales empleados en obra. Además se verifica que la estructura está en
óptimas condiciones para resistir las cargas de diseño (RFT >1). No sólo la carga
con la cual fue diseñada (C40-95) sino también de otras alternativas como lo son
la HL-93 y la CC-14, cargas establecidas en las especificaciones de diseño de la
AASHTO LRFD (13) y el nuevo código colombiano de diseño sísmico de puentes
(17) respectivamente.
A pesar de que la estructura fue diseñada con el código colombiano de diseño
sísmico de puentes del año 1995, se comprueba que también es capaz de resistir
la carga de diseño establecida en el nuevo código colombiano de diseño sísmico
de puentes publicado en el año 2014. El menor valor del factor de clasificación
ajustado se obtuvo en el nivel de inventario, más específicamente en el análisis de
resistencia al corte. El camión de diseño C40-95 provocó en la viga interior del
puente un factor de clasificación de 1.59. Este factor siendo superior a la unidad,
demuestra que aún en el estado crítico, la estructura es capaz de resistir las
cargas a las cuales fue diseñada.
Según la escala de clasificación de SIPUCOL (6) (20), la estructura tiene una
clasificación de “2” (Existe daño, el componente funciona como se diseñó). Se
recomienda realizar inspecciones visuales periódicas para así llevar un control de
la evolución del daño, y en caso de que la clasificación aumente, queda a juicio del
ingeniero realizar una segunda prueba de carga para recalibrar el factor de
clasificación y comprobar la capacidad real del puente.
300
7 . 3 P u e n t e N o . 3
La estructura presenta un aumento en su factor de clasificación del nivel de
operación. Se comprueba que en esta fase, el puente resiste más de lo que fue
diseñado. El valor crítico del factor de clasificación ajustado (1.72) se da en el
análisis a cortante de la viga exterior con el camión de diseño C40-95 de la
normativa CCDSP-95 (18).
Además, si se analiza la estructura con base en el nuevo código colombiano de
diseño sísmico de puentes (17), el factor de clasificación ajustado aumenta
mínimo un 64% en la viga exterior, y disminuye máximo el 9% con respecto al
factor de clasificación teórico.
La estructura fue construida de la mejor manera posible, pues en cualquier
escenario de carga la estructura cuenta con un factor de clasificación superior a
1.0. Además según la escala de clasificación de SIPUCOL (6) (20), el puente tiene
una calificación de “0” es decir “Sin daño o con daño insignificante”.
Esto no quiere decir que la estructura no deba tener inspecciones rutinarias, pero
sí que estas pueden tener un mayor lapso de tiempo entre cada una de ellas.
301
8 C O N C L U S I O N E S
Se elaboró la metodología propuesta, conforme a los criterios y
recomendaciones expuestos en las especificaciones seleccionadas. En el
caso de la capacidad de carga analítica, la metodología se basó netamente
en la normativa (12), ya que en las otras especificaciones no existía un
procedimiento claro de la capacidad de carga. Para la prueba estática, se
tuvieron en cuenta recomendaciones dadas por el Eurocódigo y la norma
española. (3).
Se observó la existencia de factores externos que influyen en el
comportamiento de la estructura en la obtención de resultados, durante las
etapas de medición, y en la ejecución de la prueba de carga. Estos
factores varían dependiendo del entorno y de las características de la
estructura, entre los encontrados están: vibraciones dadas por estructuras
continuas (el caso de una doble calzada), zonas de altas temperaturas,
estructuras inclinadas, tiempo de servicio del puente, etc.
Se validó la metodología desarrollada en tres puentes a nivel nacional,
encontrando que el factor de clasificación RF, ajustado con la prueba de
carga, permite conocer el estado real del puente ya que durante la etapa
analítica se hacen suposiciones, que no contemplan procesos de
construcción (8), factores de temperatura, estado real del suelo y tampoco
desgaste o fatiga de materiales.
302
Se evidenció que el uso de esta metodología permite conocer con mayor
exactitud la capacidad de carga, de tal manera que puede aumentarla o
reducirla, en comparación a la obtenida analíticamente. En el puente
número 1, se obtuvieron resultados para cada una de las vigas, interior y
exterior, en las cuales la capacidad de carga ajustada mejoró mínimo un
25% y 31% respectivamente. El factor de clasificación ajustado de la
estructura número 2, no variaba más del 4% con respecto al evaluado
analíticamente. Esto se debe a que las deformaciones obtenidas en la
prueba estática fueron muy similares a las esperadas. En el caso del
puente número 3, el factor de clasificación de la viga interior se redujo
máximo un 9% con respecto a la teórica, sin embargo la capacidad de
carga de la estructura sigue siendo superior a la unidad (RF>1.0).
Se identificaron ventajas en la implementación de la metodología
propuesta, como lo es la seguridad, pues es la que permite identificar
cuanto puede resistir la estructura con la garantía de que no se ponga en
riesgo la estabilidad de la misma, y más importante aún, la vida de las
personas que la utilizan a diario. Su implementación busca crear un
ambiente más seguro, conociendo el estado real del puente. Esto
demuestra una ventaja frente a la normativa actual. Además la metodología
propuesta, aumenta la precisión con la que se evalúa el comportamiento de
la estructura, reduciendo la incertidumbre de diversos parámetros que sólo
se pueden identificar con la ejecución de la prueba estática de carga.
Se determinó que los avances realizados a través este trabajo de grado,
sirven de referencia para las agencias o institutos encargados en la
evaluación y control de puentes existentes en el país. La combinación de la
capacidad de carga junto con la prueba de carga representan una
herramienta efectiva para el conocimiento del estado real de la estructura.
303
9 R E C O M E N D A C I O N E S Y E S T U D I O S
F U T U R O S
En la investigación y posterior elaboración del actual trabajo de grado, se pudo
comprobar que es necesario realizar diversos estudios que complementen y
faciliten la evaluación de puentes existentes. Debido a esto, se recomienda
investigar y realizar documentación normativa o informativa de los siguientes
aspectos:
1. Efecto de la variación de la temperatura en la calibración de los resultados
de las pruebas de carga.
2. Metodología para determinar la capacidad de carga de tableros de puentes
existentes que no cuenten con planos “as built” o memorias de cálculo.
3. Inclusión de la remanencia en las normas Colombianas. Parámetro esencial
en la evaluación de puentes.
304
1 0 B I B L I O G R A F Í A
1. AASHTO. The manual for bridge evaluation. Us : second edition, 2011. 2. Sétra, service d'études techniques des routes et autoroutes. Loading tests on road bridges and footbridges. République française : ministere des transports de l'equipement du tourisme et de la mer, octubre 2006. 3. Ministerio de fomento. Recomendaciones par la realización de pruebas de carga de recepción en puentes de carretera. España : serie normativa, 1999. 4. Hosteng, travis y phares, brent. Demonstration of load rating capabilities through physical load testing: ida county bridge case study. Iowa : iowa state university, 2013. 5. —. Demonstration of load rating capabilities through physical load testing: sioux county bridge case study. Iowa : iowa state university, 2013. 6. Muñoz, edgar. Ingeniería de puentes. Tomo 1 y 2. Bogotá, colombia. : departamento de ingeniería civil. Pontificia universidad javeriana, 2011. 7. Hag-elsafi, osman y kunin, jonathan. Load testing for bridge rating: dean's mill over hannacrois creek. New york state : transportation research and development bureau, 2006. 8. Evaluación de la capacidad de carga del puente antonio dovalí jaime, mediante el uso de pruebas de carga estáticas y dinámicas. Ortiz, O, y otros. 2010, concreto y cemento , investigación y desarrollo. 9. Evaluación por confiabilidad estructural de puentes en acero apoyada en monitoreo e instrumentación. Muñoz diaz, edgar eduardo, y otros. 2006, págs. 1-37. 10. Vulnerabilidad sísmica y capacidad de carga de un puente atirantado basados en confiabilidad estructural. Muñoz, edgar, y otros. 2010, revista ingeniería de construcción. 11. Vulnerabilidad sísmica y capacidad de carga de un puente en acero basado en confiabilidad estructural. Muñoz, edgar, y otros. 2008, revista ingeniería de construcción, págs. 125-144. 12. (AASHTO), american association of state highway and transportation officials. Manual for bridge evaluation (2nd edition). US : s.n., 2014. 13. AASHTO. Lrfd bridge design specifications. US : american association of state highway and transportation officials, 2011.
305
14. Bouassida, y, y otros. Bridge design to eurocodes worked examples. Vienna : jrc scientific and technical reports, 2010. 15. Hendy, chris r. The implications of the change to eurocodes for bridge design. Epsom, UK : atkins, 2002. 16. Jones, rachel, smith, david a y dolling, chris. Preliminary steel concrete composite bridge design charts for eurocodes. UK : atkins, 2010. 17. AIS, asociación colombiana de ingenieria sísmica y invias, instituto nacional de vias. Codigo colombiano de diseño sísmico de puentes. Colombia : s.n., 2014. 18. AIS. Código colombiano de diseño sísmico de puentes. Bogotá, Colombia. : instituto nacional de vías, 1995. 19. Techinst s.a.s. Prueba estática de carga sobre el puente no. 1. Colombia : s.n., 2015. 20. Invias., instituto nacional de vías y directorado de carreteras de dinamarca. Manual de inventario, inspección principal, inspección especial, inspección rutinaria y mantenimiento de puentes. Bogotá, colombia : sistema de administración de puentes de colombia (sipucol), 1996. 21. Prueba de carga de estructuras. Astudillo pastor, rafael. S.l. : Dirección general de carreteras del ministerio de fomento de españa. Cedex, 2003, vols. Geocisa tifsa, intemac, proes y iic. Monografia m-9 de ache. 22. Ingenieria de puentes - tomo 3 - capítulo 2 - instrumentación de puentes. Otálora, C, Muñoz, e y Nuñez, f. Bogotá, colombia : pontificia universidad javeriana, 2012. 23. Instrucción de hormigón estructural "ehe". Fomento, ministerio de. España : s.n., 1998. 24. Techinst s.a.s. Prueba estática de carga sobre el puente no. 2. Colombia : s.n., 2015. 25. —. Prueba estática de carga sobre el puente no. 3. Colombia : s.n., 2015. 26. (NCHRP), national cooperative highway research program. Research results digests. Us : transportation research board. 27. CCDSP-95. Código colombiano de diseño sísmico de puentes. Bogotá, Colombia : ais, 1995. 28. AASHTO, american association of state highway and transportation officials. Especificaciones aashto para el diseño de puentes por el método lrfd. Ee.uu : s.n., 2004.
306
29. Jáuregui, david. Una reseña de ensayos de carga no destructivos usados para la evaluación de puentes. México : rev. Int. De desastres naturales, accidentes e infraestructura civil. 30. Pruebas de carga de estructuras. Astudillo pastor, rafael, y otros. Monografía m-9 de ache, pág. 142.
Related Documents
