2010 - FI-UAEMex - Universidad Autónoma del Estado de México

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
EFECTO DE LA SOBRECARGA EN PUENTES CON PROBLEMAS DE SOCAVACIÓN
EN LAS PILAS DE SOPORTE
David Joaquín Delgado Hernández 1 , José Omar Jiménez Miranda 2 ,
Luis Horacio Martínez Martínez 2 , Jair González Rojas 2 y Juan Carlos Arteaga Arcos 2
RESUMEN
Un puente es una estructura sostenida por soportes, construida sobre una depresión, que sirve para salvar
obstrucciones tales como ríos y fosos. Dentro de los tipos existentes de puentes, se pueden mencionar los
vehiculares, que a través de una pista o carretera permiten el tráfico de vehículos que transportan pasajeros y
cargas. Debido a que forman parte de sus redes de comunicación, estas obras representan un elemento muy
importante de la infraestructura de un país. En consecuencia, independientemente de la causa, cuando un
puente llega a fallar se generan pérdidas económicas que afectan a pequeñas y grandes comunidades, y en
escenarios más graves pueden presentarse incluso fatalidades.
En lo que se refiere a indicios de falla, estos pueden ir desde la presencia de agrietamientos y fisuras que
limitan la funcionalidad de la obra, hasta el posible colapso total de la estructura. Así, dejando a un lado las
características de sus materiales de construcción, en términos estadísticos, aproximadamente el 4% de los
puentes construidos a nivel mundial han presentado algún tipo de falla. Ahora bien, de este 4%, existen
evidencias de que el 12% de los puentes fallan por causas de sobrecarga, y el 15% por socavación, lo cual
representa una cuarta parte del universo de las estructuras consideradas.
La literatura documenta algunas fallas provocadas por las dos variables de interés (sobrecarga y socavación).
Sin embargo, son escasas las referencias que estudian sistemáticamente la relación entre ambas. Aunque en
principio se podría pensar que son independientes, en este artículo se reportan algunos casos reales de fallas
conjuntas. De esta forma, con la finalidad de determinar la intensidad de la correlación entre ambas, se
propone una metodología general, con base en fallas mundiales, que puede ser adaptada al contexto nacional,
y en particular al del Estado de México, para determinar riesgos en este tipo de estructuras.
Palabras claves: Puente, Mantenimiento, Socavación, Sobrecarga, Falla, México
Tema VIII: Vulnerabilidad, evaluación, reparación y refuerzo estructural
ABSTRACT
A bridge is a supported structure built to overcome obstacles such as rivers. There are different types of
bridges, being the more common those aimed at vehicle transport. Because they play an important role in any
1 Profesor-Investigador, Coordinación de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma
del Estado de México, Ciudad Universitaria, Cerro de Coatepec s/n, Toluca, Estado de México, C.P.
50130, Teléfono, (722) 214 08 15 ext. 1101; david.delgado@fi.uaemex.mx
2 Coordinación de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de México,
Ciudad Universitaria, Cerro de Coatepec s/n, Toluca, Estado de México, C.P. 50130, Teléfono, (722) 214
08 15 ext. 1075
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country´s development, attention should be paid to preserve these structures in good condition. Note that
when a bridge fails, both economic and human costs are common.
In terms of failures, they range from the presence of cracks and fissures, limiting the structure´s functionality,
through to its complete collapse. Leaving aside their construction materials´ features, statistically speaking,
approximately 4% of the bridges built worldwide have had some kind of failure. Moreover, 12% out of this
sample have overloading problems, and 15% present scour symptoms, which represents one fourth of the
complete bridge collapse universe.
The literature reports some failures due to the two variables under study (i.e. overloading and scour).
However, the references aimed at systematically determining the relation between them are still scarce. Even
though they seem to be independent, in this paper some real rupture cases are reported showing that the first,
in presence of the second, can lead to structural failure. In an effort to establish the correlation between both,
a general qualitative methodology is proposed, in such a way that it could be adapted to the Mexican context,
and particularly to the structures located in the State of Mexico to help decision makers to assess their
bridges´ risks.
Keywords: Bridge, Maintenance, Scour, Overloading, Failure, Mexico.
INTRODUCCIÓN
En las etapas de diseño y construcción de obras de ingeniería civil debe tomarse en cuenta la posibilidad de
que los proyectos pongan en riesgo la salud o seguridad pública, o provoquen pérdidas económicas a la
comunidad (Merrit et al, 1999). De acuerdo con el Departamento del Transporte de Texas (TDOT, 2009), un
riesgo se define como las consecuencias asociadas con la probabilidad de que un evento peligroso ocurra. Así,
con la evaluación de riesgos se identifica el nivel de vulnerabilidad de distintas alternativas de diseño, aunque
no con la profundidad que demandaría la optimización de costos (TDOT, 2009).
En el mismo tenor de ideas, Rincón (2010) lo entiende de manera general como “la posibilidad de
experimentar ciertos eventos de interés y las consecuencias derivadas de dichos eventos”. En materia de
ingeniería, puede definirse como “el producto de la probabilidad de que un evento (generalmente no
deseable) ocurra, y el daño esperado debido a la ocurrencia del evento, es decir, riesgo = (probabilidad de
un accidente) x (daños como consecuencia del accidente)” (Rincón, 2010). Asociado al concepto del riesgo,
existe el de confiabilidad, definido por Noori y Radford (1995) como la probabilidad de que un producto
opere sin fallar durante un periodo de tiempo específico.
En términos de confiabilidad estructural, Canto y Alamilla (2000) afirman que se trata de la probabilidad de
que una obra no falle cuando es sometida a solicitaciones externas. Ellos mismos indican que, para que una
estructura se pueda considerar como confiable, es imperativo garantizar que resistirá la carga máxima que se
le aplicará durante su vida útil. Dicha carga, de acuerdo con Ang y De León (2005), es una variable que debe
predecirse o estimarse en el análisis de confiabilidad.
De esta forma, los análisis de riesgo y confiabilidad contribuyen a desarrollar programas óptimos de
mantenimiento preventivo, ya que permiten anticipar los posibles daños que una obra podría presentar durante
su operación (Nessim y Stephens, 1995). Siendo los puentes vehiculares proyectos de infraestructura
fundamentales para el desarrollo de un país, su análisis de riesgos resulta importante para asegurar que
brindarán un servicio adecuado, y de no hacerlo, tomar las medidas correspondientes en beneficio de su
correcto funcionamiento.
En el presente artículo, se propone un modelo cualitativo que establece la contribución de la sobrecarga y la
socavación en la falla de puentes. Para ello, se ha hecho uso de una Red Bayesiana (RB) que incluye las
siguientes variables: sobrecarga horizontal y vertical, fatiga, mantenimiento, cauce natural, agrietamiento,
socavación, fractura, corrosión, asentamiento y falla, entendiéndose esta última como un cambio en la
geometría y/o estabilidad de la estructura, que le impide proporcionar el servicio para el que fue diseñada
(AASHTO, 2002).
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De este modo, en la siguiente sección se presentan algunos aspectos generales sobre los tipos de falla en estas
estructuras, y se justifica el proyecto estableciendo también su alcance; posteriormente se identifican,
describen y detallan las variables mencionadas, para después introducir el modelo desarrollado. Por último,
éste se aplica para analizar la falla de varios casos reales.
JUSTIFICACIÓN Y ALCANCE
En lo que se refiere al comportamiento de un puente, la American Association of State Highway and
Transportation Officials (AASHTO, 2002), ha propuesto un conjunto de especificaciones estándares para su
diseño. En México, es la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT, 2010) la que establece la
normatividad correspondiente.
Pese a la existencia de dichos estándares, una revisión de la literatura internacional, indica que estas
estructuras han fallado en todo el mundo a lo largo de la historia, debido a causas como: sobreesfuerzos en las
pilas producidos por eventos sísmicos o cargas extraordinarias (Taylor et al, 1996), colapso de las pilas por la
socavación provocada por crecidas en ríos durante avenidas intensas (López y Arenas, 2004), y falta de
mantenimiento (Delgado y De León, 2007).
De hecho, Godoy (2005) sostiene que los elementos estructurales de un puente pueden fallar por cinco
motivos principales: (i) plasticidad, (ii) fractura, (iii) fatiga, (iv) desplazamientos y (v) corrosión. En lo que se
refiere a la plasticidad, es común observar en la estructura grandes deformaciones, originadas por procesos de
carga y descarga o cambios de temperaturas. En términos de las fracturas, normalmente se presentan por la
existencia de solicitaciones dinámicas, las cuales producen la ruptura súbita del material sin deformaciones
previas.
En cuanto a las fallas por fatiga, no es raro presenciar durante su proceso de evolución un agrietamiento
progresivo causado por la concentración de tensiones, que conducen al colapso repentino del elemento. Si se
habla de desplazamientos, se puede estar frente a pandeos o vibraciones causadas por la esbeltez de los
miembros estructurales o por golpes causados entre las partes del sistema esqueletal del puente. Finalmente,
las fallas por corrosión se caracterizan por que el material reduce su espesor, como resultado de la acción
química o ambiental.
Teniendo en cuenta estas causas de falla, y con la intención de determinar que tan peligrosas pueden ser (y
han sido) para los puentes construidos en México, se ha decidido realizar una investigación sistemática, cuyo
objetivo principal es desarrollar herramientas cuantitativas que sean útiles para analizar el riesgo estructural
de puentes vehiculares en el centro del país, con particular énfasis en los ubicados en el Estado de México.
Así, el primer paso consiste en generar un modelo cualitativo que tome en cuenta las condiciones particulares
de los puentes en esa entidad.
En lo que se refiere al Estado de México, se puede argumentar que dicha entidad se ubica en una zona cuya
actividad sísmica es permanente. De hecho, una gran proporción de los sismos provenientes de la costa
pacífico que la afectan son terremotos (DDF, 1988), aunque también existen otros, originados en la zona del
eje neovolcánico Mexicano, que no tienen tanto impacto como los primeros. Esto, pone de manifiesto el
riesgo que corren los puentes de la región.
Aunado a esto, se trata de una región donde los eventos hidrometeorológicos son recurrentes y año con año
afectan a las comunidades y municipios de la localidad. De acuerdo con el CENAPRED (2009), el Estado de
México fue la segunda entidad con mayor número de inundaciones entre 1970 y 2003, solo por debajo de
Veracruz, y superando a la Ciudad de México, Chiapas, Guerrero y Tabasco. Durante esos 33 años, se
registraron en el Estado cerca de 230 inundaciones, lo que representa un promedio anual de prácticamente
siete eventos.
De nuevo, esto revela que los puentes que pasan sobre ríos pueden incrementar sus riesgos con la presencia de
eventos como las inundaciones. Más aun, recientemente el Gobierno del Estado ha promovido la construcción
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de distintos puentes a lo largo y ancho del territorio estatal, entre los que destacan los que comunican a la
autopista México-Toluca con el aeropuerto internacional de la capital mexiquense; los que se han colocado
sobre el paseo Tollocan para librar la avenida Vicente Guerrero y Venustiano Carranza, también en Toluca;
los que se construyen sobre la avenida Las Torres de la misma ciudad; los que se han colocado en la carretera
Toluca-Naucalpan para cruzar el Río Lerma; y los que se tienen contemplados para ampliar el segundo piso
del periférico en la zona metropolitana de la Ciudad de México. Para una lista completa de los puentes en
proceso de construcción y de licitación se puede consultar la página electrónica de la SCT (2010).
Como se aprecia, las características del Estado y las obras proyectadas recientemente, en conjunto con las ya
existentes, hacen que la infraestructura de la entidad mexiquense sea de interés para realizar un proyecto
como el aquí propuesto. Así, en el siguiente apartado se describirán las variables asociadas a la falla de
puentes, y se presentarán algunos ejemplos de casos reales, reportados en la literatura internacional, para
ilustrar los conceptos. Cabe mencionar que más adelante se construirá el modelo cualitativo objeto del
presente artículo, tomando como punto de partida los datos enseguida reportados. Notar que, en virtud de la
escases de datos de fallas nacionales, se tomará como referencia lo documentado internacionalmente.
VARIABLES DE INTERÉS
El uso cotidiano de un puente provoca que éste se encuentre expuesto a distintas amenazas, lo que aunado a
su localización geográfica determina su nivel de riesgo. Los casos documentados de fallas, revelan que los
puentes de concreto reforzado sobre ríos son usados frecuentemente. Wardhana y Hadipriono (2003),
estudiaron una muestra de 503 puentes colapsados en Estados Unidos entre 1989 y 2000, encontrando que
más del 13% de los problemas se presentaron en obras de ese tipo. De nuevo, debido a que en México no se
cuenta con una estadística similar, se decidió analizar las variables que han influido en los niveles de riesgo de
estas estructuras, mismas que en general, se pueden agrupar en las tres categorías incluidas en la Tabla 1.
Tabla 1 Variables que influyen en los niveles de riesgo de puentes de concreto sobre ríos
(Modarres et al, 1999)
Tipo Descripción Variables
Factores de contribución Son los agentes cuya presencia pone en Sobrecarga vertical, sobrecarga horizontal,
riesgo la integridad de la estructura falta de mantenimiento y cauce natural
Modos de falla Son los procesos físicos cuya ocurrencia
deteriora la funcionalidad de uno o varios
elementos estructurales
Fatiga, agrietamiento, corrosión y socavación,
Consecuencias Son los efectos resultantes de la interacción
entre los factores de contribución y los
modos de falla
Fractura, asentamiento y falla
Los factores de contribución inciden en los posibles modos de falla, que a su vez pueden derivar en distintas
consecuencias. En particular la fractura, se puede considerar también como modo de falla, pero en este
artículo se asume que es la manifestación de la fatiga o el agrietamiento excesivo. Habiendo revisado la
literatura internacional en la materia, se determinaron las variables presentadas en la tabla anterior, aplicables
a la subestructura de puentes vehiculares de concreto que libran ríos, mismas que se detallan a continuación.
Sobrecarga vertical
Un puente debe soportar diversos tipos de carga. En principio, se encuentran el peso propio de la estructura, el
de los vehículos que lo transitan (ej: automóviles, camiones, y trenes), y el de los peatones que lo emplean
(O´Connor y Shaw, 2002). Cuando se presenta una carga por encima de los niveles permisibles, se tiene la
existencia de una sobrecarga, que puede deberse a factores como: el cambio de uso, incremento en los
volúmenes de tráfico, la presencia excesiva de nieve, la violación de límites de carga por parte de los usuarios
de la estructura, y el cruce de vehículos especiales. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de este tipo de
problemas (Frías, 2010).
Como se puede observar, sobre el puente en cuestión circuló un vehículo que transportaba un equipo especial
cuyo peso excedía las 200 T, con una longitud total del camión de 34 m, violando la normatividad vigente.
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Los autores de este artículo no pudieron determinar el nombre del puente ni su ubicación exacta, pero la
fotografía demuestra que las sobrecargas generaron daños considerables no solo a la estructura propiamente
dicha, sino también al tránsito que por ella circulaba.
Figura 1 Colapso de un puente debido a una carga extraordinaria de 200 T (Frias, 2010)
Otro ejemplo es el puente en Brajamambari, Bangladesh, que en 1982 sufrió un colapso completo como
resultado de la sobrecarga inducida por la cantidad de autobuses circulando simultáneamente sobre la
estructura (Scheer, 2000). Por último, se cita el caso del puente de la provincia de Kratie, Camboya, que en
2004 falló porqué un vehículo que excedía en 15 T la carga máxima permisible, circuló por la estructura,
llevándola al colapso total que provocó la pérdida de 7 vidas humanas.
En virtud de que las sobrecargas verticales tienen una mayor influencia en la superestructura (ej: superficie de
rodamiento, losas, trabes, cabezales, y parapetos), las fallas que ocasionan, se presentan con mayor frecuencia
en esa parte del puente. En contraste, las sobrecargas horizontales afectan principalmente a la subestructura,
como se describe en los siguientes párrafos.
Sobrecarga horizontal
La subestructura de un puente está conformada por: estribos, pilas y muros de contención, los que se deben
diseñar para resistir las cargas laterales inducidas por el suelo y la presión hidrostática (AASHTO, 2002). En
adición, el diseño debe tomar en cuenta el efecto de la sobrecarga horizontal en la subestructura, que puede
incluir: el peso propio del o de los muros de contención, los efectos de contracción debidos a variaciones de
temperatura, y las cargas sísmicas actuantes.
Otro tipo de sobrecargas en la misma dirección son: el flujo del cauce del río debajo de la estructura que
puede manifestarse tanto en la base como en la superestructura en caso de inundaciones extraordinarias;
sobrecargas generadas por el frenado de los vehículos, impactos de automóviles, barcos y objetos arrastrados
a lo largo del cauce, fuerzas centrífugas en puentes curvos, y viento (O´Connor and Shaw, 2002).
Para minimizar los efectos dañinos de este tipo de sobrecargas, es recomendable proteger adecuadamente los
soportes contra impactos, mediante la construcción de muros en las cercanías de la subestructura para evitar el
choque directo en pilas y estribos (AASHTO, 2002). De acuerdo con Rivera y Melli (2008), los sismos son
una de las sobrecargas que deben ser absorbidas por las columnas para minimizar la inducción de vibraciones
a la superestructura. Para ello es necesario colocar el refuerzo transversal suficiente con el objetivo de
confinar al núcleo de concreto.
Así, recientemente distintos países han adoptado criterios estrictos de refuerzo en las columnas dentro de sus
reglamentos (Rivera y Melli, 2008). No obstante, los puentes que no fueron diseñados bajo estos esquemas,
podrían ser más vulnerables a las acciones laterales que las nuevas edificaciones. Un caso que muestra la
importancia de esta variable, es el puente Tay ubicado entre Edimburgo y Dundee, Escocia, que en 1879 tuvo
un colapso parcial debido a una combinación de estas acciones producto de una tempestad (BF, 2009).
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Otro ejemplo es un puente Chileno que cruzaba el río Valdivia, que en 1960 fue sometido a la acción de un
terremoto de 9.5 grados en la escala Richter, lo que condujo a su colapso parcial (Imhof, 2004).
Adicionalmente, se suscitó una inundación extraordinaria en Lusaka, Zambia en 2004, que produjo el colapso
de 30 puentes a lo largo del país, reportándose la pérdida de 10 vidas humanas (BF, 2009). Dado que la
mayoría de esas 30 estructuras fueron diseñadas en épocas donde no se previó la ocurrencia de eventos de esa
magnitud, el fenómeno devastó las obras. Por ello, es importante programar ejercicios de mantenimiento que
permitan preservar en buen estado los proyectos, variable que se presenta a continuación
Mantenimiento
Es un conjunto de actividades destinadas a la conservación de las condiciones iniciales de servicio de una
estructura, que le permiten permanecer en un estado aceptable, producto de inspecciones e instrumentaciones
adecuadas (JDAAF, 1994). La importancia de este aspecto radica en que aumenta la confiabilidad de un
sistema, pues los costos esperados por su ruptura se minimizan al conservar en buenas condiciones sus
elementos.
De acuerdo con Imhof (2004), el mantenimiento de un puente comprende tareas que abarcan desde la revisión
periódica de sus elementos, hasta su reemplazo. Para ello, se identifican por lo menos cinco tipos que se
pueden aplicar a estas obras: predictivo, preventivo, detectivo, correctivo y mejorativo (PLM, 2007). Una
explicación detallada de cada uno, enfocada a los proyectos de interés, se puede encontrar en Delgado et al
(2010).
Básicamente, en la subestructura, el mantenimiento predictivo identifica, mediante inspecciones, fallas
potenciales. El preventivo por su parte, promueve la sustitución continua de componentes para conservar en
buen estado al puente. Mientras que el detectivo se encarga de evaluar la funcionalidad del sistema para
reconocer defectos y remediarlos, el correctivo fomenta el reemplazo de piezas dañadas. Por último, el
mejorativo varia las propiedades iniciales de la obra para elevar su desempeño operativo.
Un ejemplo de cómo la falta de mantenimiento ha derivado en la falla de una estructura importante, se
presentó en Viena, Austria, en el puente Reichbrücke sobre el río Danubio en 1976. Esa estructura colapsó
debido a la combinación de varios factores relacionados con el gasto del cauce, la temperatura, el
deslizamiento, el agrietamiento, la falta de inspección, y la carencia de mantenimiento. Debido a las bajas
temperaturas del río, la humedad incursionó en los soportes y al congelarse y deshelarse, estimuló la
formación de grietas hasta conseguir que los soportes fallaran por cortante y se deslizaran, conduciendo al
colapso total de la estructura (VR, 2010). Como se puede observar, el cauce también genera fallas, como se
describe a continuación.
Cauce natural
Un cauce se define como un “conducto descubierto o acequia por donde corren las aguas para riegos u otros
usos” (RAE, 2010). En esencia, es considerado como un cuerpo de agua que puede variar de tamaño yendo
desde un pequeño afluente hasta un gran rio. El término cauce natural se aplica a un canal o dren en un curso
formado por un flujo de agua, que puede o no contar con un caudal permanente (FHWA, 2001). En
condiciones normales se considera que puede influir en la generación de socavación debajo de los elementos
estructurales que forman la subestructura de un puente.
La geometría de las pilas de soporte, la sección transversal del cauce, la velocidad y el volumen de agua
transportado en el canal, determinan la magnitud de la socavación cuando esta se presenta. En consecuencia,
es recomendable el monitoreo de estas variables cuando se sospecha que una obra puede ser vulnerable a este
tipo de fenómenos. No menos importante es la fatiga, la siguiente variable por analizar.
Fatiga
Muciño y Coyoli, (2009) sostienen que “es la ruptura de un material sujeto a esfuerzos cíclicos bajos,
menores a la resistencia estática máxima a la fractura. Es producida por el reacomodo atómico y molecular
causado por deformación plástica”. En esencia, se trata de un proceso cíclico de carga y descarga que genera
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esfuerzos internos dentro del material. Este, al verse cargado y descargado en múltiples ocasiones, genera
microgrietas que pueden ir creciendo hasta conducir a una deformación, que puede convertirse incluso en
fractura.
En el mismo tenor de ideas, Modarres et al (1999) afirman que la causa principal de la fatiga es la fluctuación
de las cargas que actuan sobre la estructura, situación que conduce al agrietamiento, a la deformación y a la
fractura. Los mismos autores describieron que la fatiga es un fenómeno progresivo de falla que inicia y se
propaga a través de las grietas.
Por ejemplo, en Ohio Estados Unidos, el puente Ashtabula presentó problemas de fatiga en 1876, durante una
época en la que ese proceso no había sido ampliamente estudiado. La estructura, consistente en armadura de
hierro y con un claro simple de 46 m de longitud, que descansaba en dos estribos de mampostería, presentó
una falla frágil provocada por la fatiga de las conexiones de la superestructura (Imhof, 2004).
Similarmente, el puente de armadura en Salzburgo, Austria, tuvo una falla frágil en 1886 como resultado de la
fatiga que condujo a una fractura súbita de un elemento inferior de la estructura. A pesar de ello no se tuvo
que lamentar ninguna pérdida de vidas humanas. Como se puede observar, la fatiga puede conducir al
agrietamiento, variable descrita enseguida.
Agrietamiento
Una grieta se presenta en el concreto cuando hay una separación de partes, y su aparición es prácticamente
inevitable dado que depende de la variación en el contenido de humedad (IMCyC, 2007). Así, cuando se
pierde humedad, se sufre una contracción que genera la presencia de pequeñas grietas en virtud de que se trata
de un material frágil. De acuerdo con Waheed et al (2005), las grietas en los puentes no representan un daño
significativo, aunque si tienen un gran impacto en la estética de la obra, lo que puede producir la desconfianza
de sus usuarios. Por ello, resulta importante repararlas ya sea mediante rellenos epóxicos o algún otro método,
para evitar el deterioro de la vida útil de la obra, pues mediante las grietas se puede inducir corrosión al acero
de refuerzo.
Las grietas en el concreto se pueden presentar durante el proceso de fraguado, clasificándose en tres tipos
(IMCyC, 2007): por contracción plástica, por asentamiento plástico y por el movimiento de la cimbra.
Algunas medidas preventivas contemplan el control de: (i) la evaporación a través de alcoholes antievaporantes
patentados, (ii) el agua empleada en el curado, (iii) el recubrimiento del refuerzo, (iv) los
constituyentes de la mezcla, (v) el revenimiento, (vi) las juntas, y (vii) la cimbra.
En caso de que las grietas hayan aparecido, Waheed et al (2005) sugieren que se consideren como poco
graves si son menores a 30 mm de espesor y no presentan exposición del refuerzo (ver la Tabla 2). Sin
embargo, para cuidar la apariencia del elemento agrietado resulta conveniente sanarlo, pues si se descuidan
pueden crecer hasta dejar el armado en contacto con la intemperie. En efecto, si las grietas exceden ese valor
de espesor, ponen en riesgo el acero que puede presentar corrosión, y pese a que no existe un efecto inmediato
en el detrimento de la capacidad de carga, la vida de la estructura se puede ver mermada.
Tabla 2 Clasificación de grietas (Waheed et al, 2005)
Tipo Dimensión de la Grieta
Capilar < 0.1 mm
Estrecha ≥ 0.1 mm y < 0.3 mm
Mediana ≥ 0.3 mm y < 1.0 mm
Amplia ≥ 1.0 mm
Específicamente, en 1976, en el puente Austriaco localizado en Voralberg, se detectó la presencia de grietas,
que por falta de inspección constante crecieron hasta dejar prácticamente inservibles estructuralmente a los
elementos de soporte (BF, 2009). Consecuentemente se generó un colapso completo de dicho puente. Aunado
a la aparición de grietas esta la corrosión, varible detallada enseguida.
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Corrosión
La Real Academia de la Lengua Española (RAE, 2010) la define como “la destrucción paulatina de los
cuerpos metálicos por acción de agentes externos, persista o no su forma”. Básicamente, se trata de la
combinación de humedad, diferencia de voltajes y catálisis iónica que afecta a los metales (Modarres, 1999).
Algunos efectos de la corrosión visibles en las estructuras son: reducción del espesor efectivo del material,
microfisuración, y cambios en la resistencia a la fatiga y a la concentración de esfuerzos (Daigle et al, 2004).
La corrosión se presenta principalmente en estructuras expuestas a ambientes marinos, donde el agua contiene
cloruros de sodio (NaCl) y de magnesio (MgCl2). De hecho, en el mar hay aproximadamente 35,000 mg/lt de
NaCl, compuesto que facilita las reacciones eléctricas y por ende la corrosión acelerada del acero estructural
(IA, 2010). Siendo México un país rodeado por océanos, la exposición a este tipo de daño en los puentes está
presente en las zonas costeras, aunque en el centro de la República no es tan agresiva. En esta región, la
corrosión en puentes de concreto se da por su exposición al intemperismo y la aparición del cloruro inducido
por la corrosión del acero (Daigle et al, 2004).
Para dimensionar la magnitud del problema, Del Valle et al (2001) reportaron que el fenómeno de la
corrosión había provocado desgaste en estructuras de concreto reforzado de Estados Unidos en 2001, que
derivaron en costos cercanos a los 300 millones de dólares. También afirmaron que era posible ahorrar hasta
un tercio de esa cantidad tomando medidas preventivas en contra de la corrosión. De acuerdo con Daigle et al
(2004), dentro de las técnicas que contribuyen a prolongar la vida útil de los puentes se incluyen: el uso de
concretos de alto rendimiento, de inhibidores de corrosión, y de pinturas epóxicas.
En materia de fallas por esta causa, Imhof (2004) describió la ocurrida en el puente Ynys-y-Gwas en el este
de Glamorgan, Gran Bretaña en 1985. Se trataba de una estructura de concreto postensado que incluía como
material de construcción un mortero de alta permeabilidad que permitió que la humedad penetrara en las
juntas. Lo anterior condujo a la aparición de corrosión en el acero de refuerzo, debida a la presencia de
cloruros y óxidos. Cuando la corrosión se propagó a través de la sección longitudinal de los tendones, el
armado metálico disminuyó sustancialmente su área transversal, a tal grado que se produjo el colapso de la
obra. También inducida por el agua, se encuentra la variable socavación, presentada en los siguientes
párrafos.
Socavación
La socavación se puede definir como un fenómeno producido por una corriente natural, con la capacidad de
suspender y arrastrar partículas del lecho en las secciones transversales y longitudinales de los afluentes
(FHWA, 2001). Se trata de un proceso complejo que depende no solo de los factores geológicos y
topográficos del cauce, sino también de las características del material de arrastre e hidráulicas del rio. Siendo
el resultado del constante flujo, la socavación es un tipo de erosión difícil de evitar.
Cuando se colocan en un cauce obstáculos como pilas de apoyo, las condiciones locales de escurrimiento
varían, modificando las propiedades de arrastre de la zona vecina a la obstrucción. Consecuentemente, en el
diseño de obras de infraestructura es importante conocer la profundidad esperada de socavación, para
considerarla en el dimensionamiento de la cimentación, ya que el fenómeno ha sido la causa de fallas en
puentes, resultado de la pérdida del material de soporte en donde descansa la base de la estructura (FHWA,
2001). En el estudio de Wardhana y Hadipriono (2003), este modo contribuyó a la falla del 15.51% de su
muestra.
Frecuentemente, este proceso se clasifica en dos: socavación general y socavación local. La primera implica
la degradación natural del fondo del lecho a lo largo de la corriente, y la segunda la remoción de material
alrededor de las pilas de soporte, estribos y terraplenes, cuyo origen es el incremento de velocidad del flujo en
esas zonas. Lo anterior, deriva en remolinos producto de la obstrucción de los elementos estructurales,
conocidos como “vórtices de herradura”, que remueven su soporte y generan cavidades.
A medida que aumenta la profundidad de los huecos, la velocidad del vórtice decrece hasta recuperar el
equilibrio del flujo y, en consecuencia, el efecto de la socavación se reduce (FHWA, 2001). En la Figura 2 se
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muestra una imagen que ilustra la formación de vórtices. De esta forma, los factores principales que afectan a
la socavación local en pilas y estribos son: velocidad de aproximación del flujo, tirante, ancho del soporte,
gasto retenido por el elemento estructural, longitud bajo el agua de dicho elemento, granulometría de las
partículas, ángulo de ataque del líquido contra el obstáculo, geometría del mismo, configuración topográfica
del fondo del cauce, y tráfico del material de escombro (FHWA, 2001).
Figura 2 Representación esquemática de vórtices de herradura (FHWA, 2001)
Los modelos matemáticos para cuantificar la socavación local en la subestructura normalmente son
complejos, pese a que se simplifican con frecuencia (Santiago, 2007). Así, en el presente artículo se
considerará la influencia de este tipo de socavación, la última varible identificada como modo de falla. Ahora
se presentan las consecuencias generadas por las variables hasta aquí discutidas, empezando por la fractura.
Fractura
Se define como “la separación de un cuerpo en dos o más partes por la acción de fuerzas físicas o químicas;
se manifiesta por la formación de superficies nuevas. Depende de la geometría, esfuerzo aplicado, velocidad
de deformación, y de condiciones térmicas y ambientales” (Muciño y Coyoli, 2009). Existen cuatro tipos que
son descritos en la Tabla 3: fractura dúctil, fractura frágil, por fluencia y por fatiga.
Tabla 3 Clasificación de fracturas (Muciño y Coyoli, 2009)
Tipo de fractura Descripción Características
Dúctil Originada por deformación plástica Es peculiar debido a la apariencia filosa de las
extensa
superficies donde se produce la fractura
Frágil Originada por esfuerzos de tensión Las grietas se propagan rápidamente sin
perpendiculares a la superficie de deformaciones plásticas generando
fractura
superficies de fractura con textura granular
Por fluencia Originada por la combinación del El material se deforma y se endurece al bajar
flujo plástico y la relajación del
material
la temperatura del material fracturado
Por fatiga Originada por ciclos de carga y El material concentra esfuerzos en su interior,
descarga menores a la resistencia lo que produce la aparición de grietas que al
máxima a la fractura
propagarse conducen a la fractura
De manera particular, se puede reportar el caso de un puente ubicado en Concord, Carolina del Norte, que en
2000 fue sobrecargado por decenas de miles de personas que observaban una carrera de automóviles. Como
resultado de la carga excesiva, se presentó la fractura repentina de la superestructura generando heridas en 80
personas, pero ninguna fatalidad (Imhof, 2004). Al no presentarse asentamientos, fue díficil predecir la
ruptura, por lo que estos son una señal de problemas, como se discute enseguida.
Asentamiento
Los suelos son materiales compuestos principalmente de arenas, gravas, limos, arcillas, y material orgánico
(Juárez y Rico, 1996). Estos a su vez, se encuentran combinados con aire y líquidos, características que deben
ser tomadas en cuenta cuando se diseña la cimentación de un puente, para impedir que el suelo o la estructura
lleguen a fallar.
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Atendiendo a la relación esfuerzo-deformación, se tiene que la aplicación de carga en un puente provoca
asentamientos. Así, al realizar el diseño geotécnico de una estructura, se debe vigilar que la propuesta final no
tenga grandes desplazamientos. Es virtualmente imposible eliminar los asentamientos, por lo que los
reglamentos utilizados para el diseño de cimentaciones establecen valores máximos permisibles, mismos que
no deberían causar graves problemas a la estructura.
No obstante, es importante recordar que el suelo puede tener asentamientos por varias razones, por ejemplo
(Rico y Del Castillo, 2005)
1. Consolidación por peso propio,
2. Deshidratación natural o inducida por procesos industriales,
3. Presencia excesiva de agua,
4. Ataque químico,
5. Descomposición orgánica natural o a causa de algún agente externo,
6. Hundimiento de la zona por bombeo de agua,
7. Sismos, volcaduras o vibraciones,
8. Alivio de esfuerzos por excavaciones,
9. Bombeo de agua para alguna obra cercana,
10. Movimientos tectónicos, y
11. Derrumbes o erosión subterránea.
Los asentamientos se presentan en el momento en el que se coloca una estructura sobre el suelo, y su
magnitud depende del tiempo, y de las características del diseño propuesto. Se insiste que evitarlos es difícil,
pero se debe garantizar que no excederán los valores permisibles. Las pruebas de consolidación,
compresibilidad y compresión triaxial contribuyen a evaluar los asentamientos resultantes de la aplicación de
cargas (Juárez y Rico, 1996). De esta forma, para mejorar la capacidad del suelo, es posible inyectar un
cementante o algún químico que permita rellenar oquedades y compactar el material de desplante.
En materia de puentes, se han registrado algunas fallas por asentamientos. Por ejemplo, en 1982, el puente de
armadura localizado entre Linz y Selzsthal sobre el río Traun, Austria, presentó socavación y asentamientos
importantes. Por ello, uno de los apoyos se perdió, conduciendo a la falla parcial de esa pila y las vigas que
soportaba. Afortunadamente no se registraron pérdidas humanas (Scheer, 2000).
Ocho años más tarde, en 1990, también en Austria, un puente cercano a Kufstein registró problemas de
socavación que, aunados a las cargas de tránsito normales, generaron un asentamiento. Estos hechos
provocaron una distorsión importante en la superestructura, lo que derivó en el colapso de la obra (BF, 2009).
Finalmente se presenta la variable falla, de la cual ya se han comentado algunos aspectos.
Falla
En este artículo, una falla se entiende como el estado que guarda un puente cuando es incapaz de brindar el
servicio para el que fue diseñado y construido. Por ejemplo, si existe un deslizamiento en las trabes que
genera la discontinuidad del claro, aun cuando las pilas de soporte se mantengan intactas, se afirmará que se
ha producido una falla (ver Figura 3).
Figura 3 Ejemplo de falla (Waheed et al, 2005)
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En este contexto, son ejemplos de falla los siguientes: disminución de la sección de rodamiento, deformación
de una pila por impacto, el colapso de algún elemento de la superestructura, el hundimiento excesivo de la
cimentación de la obra, el pandeo de vigas o columnas, y el daño por variaciones de temperatura o radiación.
Hasta el momento, ya se han descrito varios ejemplos reales con estos problemas, por lo que no se volverán a
presentar. Con estos conceptos en mente, se procede ahora a la presentación del modelo cualitativo propuesto
para relacionar las variables hasta aquí estudiadas.
MODELO PROPUESTO
El modelo es presentado de forma general como una Red Bayesiana (RB). Este tipo de red es un gráfico acíclico
en el cual intervienen una serie de nodos y flechas que simbolizan variables y correlaciones entre ellas
respectivamente. Las RBs son modelos de elaboración sencilla que modelan de forma clara fenómenos reales
tanto cualitativa como cuantitativamente. Gracias a los innovadores desarrollos matemáticos recientes, es
posible cuantificar la fuerza de las correlaciones entre las variables de una red (Hanea, 2008).
De este modo, la RB desarrollada en esta investigación, solo cubrirá la parte cualitativa del modelo, siendo la
fase cuantitativa una de las tareas pendientes para trabajar en el futuro. De manera particular, se ha tratado de
establecer la interacción de la carga vertical con la socavación en pilas de soporte. No obstante, para contar
con mas datos relativos a la cuantificación de este tipo de redes, se recomienda revisar el trabajo de Delgado
et al (2008).
Cabe mencionar que, para determinar el grado de correlación entre nodos (variables), las RBs hacen uso de
arcos para denotar el nivel de influencia entre los conceptos de interés. En la Figura 4 se representa la
diferencia entre (a) una RB y (b) una red tradicional. En ambos casos los conjuntos de nodos (A-E) se
encuentran interactuando con arcos dirigidos, pero en una RB las flechas trabajan de manera a-cíclica, lo que
significa que nunca regresan al lugar de origen, en contraste con la otra red, en la que se pueden generar
ciclos.
Figura 4 Representación esquemática de una red bayesiana y una red
Como ya se había adelantado, las variables a utilizar en la RB de este trabajo son: (i) sobrecarga vertical, (ii)
sobrecarga horizontal, (iii) mantenimiento, (iv) cauce natural, (v) fatiga, (vi) agrietamiento, (vii) socavación,
(viii) corrosión, (ix) fractura, (x) asentamiento, y (xi) falla. Las cuatro primeras corresponden a los factores de
contribución o causas que dan origen a un mal funcionamiento de la estructura; los síntomas o modos de
fallas están representados por los cuatro factores siguientes, y los últimos tres nodos representan las
consecuencias y la falla del sistema estructural. Para efectos del presente modelo, y con la finalidad de
mantener la simplicidad del mismo, no se han detallado como variables los tipos específicos de fallas, sino
que se han englobado en un solo nodo.
En la Figura 5, se representa el modelo general para el análisis de riesgo en puentes con problemas de
socavación en pilas, interactuando con sobrecargas. La cadena de eventos esta denotada por los arcos,
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propuestos con base en las fallas reales reportadas en las secciones anteriores, que revelan la existencia de las
relaciones de las variables.
Se puede afirmar que la sobrecarga vertical puede conducir a la formación de grietas, mismas que al permitir
la exposición del armado a la intemperie, pueden generar problemas de corrosión, que derivan en una falla.
De igual manera, las sobrecargas horizontales como un sismo, pueden propiciar la formación de grietas, que
al propagarse se traducen en fracturas y eventualmente en la falla del puente.
Figura 5 Modelo propuesto
Similarmente, el cauce natural puede socavar la base de una estructura, que al ser sometida a cargas verticales
(ej: peso propio, tráfico normal y sobrecargas) pueden generar un asentamiento, lo cual podría afectar la
funcionalidad de la cimentación, y por lo tanto para efectos de este trabajo, fallaría. Notar que el
mantenimiento puede ser empleado para evitar agrietamiento, corrosión y socavación.
Para ilustrar el uso del modelo propuesto en la práctica, a continuación se presentan algunos casos de estudio
relacionado con la falla de puentes a nivel mundial. Para ello, se describiran algunos detalles de los procesos
de ruptura.
CASOS DE ESTUDIO
En esta sección, se describirán cuatro fallas de estructuras internacionales, empleando para ello la red del
modelo desarrollado, y señalando la secuencia gráfica de eventos que desembocaron en algún tipo de falla.
Notar que los casos fueron documentados por Imhof (2004) y BF (2009).
Estructura de arco de concreto, de
tres claros, que sufrió la
exposición a un fenómeno de
inundación. Lo anterior propicio
el aumento de la socavación en la
subestructura y, por
consecuencia, un asentamiento
que finalmente conllevó a la falla.
En la Figura 6 se presenta la
secuencia del colapso de esta
estructura.
Puente Milcov, Rumania (1926)
Figura 6 Modo de falla del puente Milcov
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Estructura compuesta de dos
claros, que debido a una
inundación, experimentó una
sobrecarga horizontal. Dicho
estímulo, provocó el
asentamiento de la subestructura,
lo que aunado a la presencia de
cargas verticales, inducidas por el
paso de un tren, llevaron a la falla
del puente (colapso parcial). En
la Figura 7 se ilustra el proceso
mediante el cual falló este puente.
Obra que debido a una inundación, y al
impacto de residuos de hielo
(sobrecarga horizontal) que eran
arrastrados dentro del cauce natural del
río, presentó un asentamiento en la
subestructura, lo que eventualmente
condujo al colapso completo de la
obra. En la Figura 8 se observa que la
combinación del cauce natural y una
sobre carga horizontal (arrastre de
hielo), generaron problemas de
hundimiento en la base de la
estructura.
Superestructura de siete claros de losas de concreto
presforzado, apoyada sobre cuatro trabes
presforzadas de 35.84 m, cubriendo una longitud de
250.6 m por 9.5 m de ancho. El puente destruido
pasaba sobre el río Tonalá, en la frontera de los
estados de Veracruz y Tabasco. El proceso de falla se
ilustra en la Figura 9. Como se nota, se combinaron
tres causas simultáneamente: sobrecarga vertical,
sobrecarga horizontal y cauce natural. Las últimas
dos incidieron en la socavación, y la primera
directamente en el asentamiento. Al final, este último
problema condujo al colapso de los tramos entre los
apoyos 3 y 8 (SCT, 2009).
Puente Katerini, Grecia (1972)
Figura 7 Modo de falla del puente Katerini
Puente Walnut, E.U. (1996)
Figura 8 Modo de falla del puente Walnut
Puente Tonalá, México (2009)
Figura 9 Modo de falla del puente Tonalá
Como se aprecia, en los cuatro casos analizados se pudo determinar la secuencia de falla dentro del modelo de
RB propuesto. Habiendo establecido las interacciones entre las variables descritas, los autores ya trabajan
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sobre la cuantificación de las probabilidades de falla de cada nodo, y las correlaciones de rango existentes
entre ellos. Se espera que los resultados estén disponibles en un artículo futuro.
De esta forma, se cree que la existencia de herramientas como la aquí propuesta pueden ser de utilidad para
que los administradores de puentes determinen los níveles de riesgo en sus estructuras. En su estado actual, la
RB desarrollada solo puede utilizarse para identificar las secuencias de falla, pero se espera que con su
cuantificación, se puedan evaluar numericamente los niveles de riesgo de estructuras específicas ubicadas en
el Estado de México. Pero mientras eso ocurrs, se procede ahora al establecimiento de las conclusiones del
trabajo de investigación.
CONCLUSIONES
Los puentes son construcciones que contribuyen a la comunicación de localidades, librando obstáculos como
ríos, carreteras y fosos. Dada su gran importancia, el análisis de riesgos en estas obras de infraestructura es
relevante, en virtud de que permite reconocer causas de colapso potenciales, y programar actividades de
mantenimiento para reducir posibles daños ante la existencia de eventos causantes de fallas. De esta forma, la
construcción, operación y mantenimiento de los puentes, son aspectos que tanto propietarios como
administradores deben cuidar.
El modelo propuesto en este artículo tuvo su origen en los siguientes pasos: identificar los factores de
contribución de falla en puentes de concreto que libran ríos; reconocer las variables que intervienen en los
modos de falla ocasionados por dichas acciones; interrelacionar las variables con base en evidencias
registradas en la literatura internacional; y aplicar el modelo a cuatro fallas de puentes ocurridas en distintas
latitudes, para verificar su aplicabilidad. En todos los casos, la herramienta fue útil para establecer
sistemáticamente las secuencias que condujeron a los colapsos de las estructuras seleccionadas.
Así, se cree firmemente que la red aquí propuesta, puede servir para programar un plan de mantenimiento que
reduzca los riesgos de falla en las obras de interés. Debido a que los recursos para la conservación de puentes
en México son limitados, se necesita formular un plan de atención apoyado en técnicas científicas como la
desarrollada. En este tenor de ideas, cabe aclarar que esta investigación forma parte de un proyecto mayor
cuyo objetivo es cuantificar los riesgos de falla en puentes vehiculares de concreto sobre ríos, ubicados en el
Estado de México. Se espera que la exposición presentada resulte de interés para la industria de los puentes, y
que genere más estudios para profundizar sobre los aspectos que se relacionan con la falla de estas
importantes obras de infraestructura.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece tanto a la Universidad Autónoma del Estado de México, como al Consejo Mexiquense de Ciencia
y Tecnología por el apoyo brindado para llevar a cabo este trabajo. Asimismo se reconoce la participación de
la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional
Autónoma de México, de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura del Instituto Politécnico Nacional,
y de la Universidad Tecnológica de Munich, Alemania. De igual manera, se agradece al Dr. Daniel Imhof por
haber facilitado la información de su tesis doctoral para realizar el presente trabajo.
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