ALGUNAS REFLEXIONES ACERCA DE LA REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTE DE PUENTES

SOME REFLECTIONS ABOUT THE STRUCTURAL SEISMIC BRIDGES RETROFIT

Darío Candebat-Sánchez
Centro Nacional de Investigaciones Sismológicas (Cenais), Cuba

ALGUNAS REFLEXIONES ACERCA DE LA REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL SISMORRESISTENTE DE PUENTES

Ciencia en su PC, núm. 3, pp. 22-41, 2016

Centro de Información y Gestión Tecnológica de Santiago de Cuba

Recepción: 15 Marzo 2016

Aprobación: 15 Junio 2016

Resumen: Los puentes han sido afectados considerablemente por sismos fuertes ocurridos en diversas partes del mundo. Muchas de estas estructuras han tenido que ser rehabilitadas con el objetivo de mejorar su comportamiento ante acciones sísmicas. En este trabajo se presenta un análisis teórico de los aspectos que inciden directamente en la rehabilitación estructural sismorresistente de puentes. Se definen los parámetros que deben ser tenidos en cuenta para seleccionar y priorizar las estructuras que se van a rehabilitar, evaluar la vulnerabilidad sísmica estructural y seleccionar las estrategias de rehabilitación más adecuadas. En el análisis se parte de valorar la contribución realizada por diferentes autores y regulaciones internacionales, con el objetivo de sustentar teóricamente un procedimiento para la rehabilitación estructural sismorresistente en Cuba.

Palabras clave: puentes, vulnerabilidad, procedimiento, rehabilitación, sismorresistente.

Abstract: Bridges have been damaged by strong earthquakes in different parts over the world. Many structures have been retrofitted in order to improve its seismic behavior. A theoretical analysis of the aspects directly related with seismic retrofit of bridges is presented. Parameters useful for preliminary assessment and prioritizing the structures to be retrofitted, for assessing its seismic vulnerability and for selecting retrofit strategies are defined. This analysis is based in scientific contributions of different international authors and regulations and the main objective is to support theoretically a Cuban procedure for seismic retrofit of bridges.

Keywords: bridges, vulnerability, procedure, rehabilitation, seismic.

INTRODUCCIÓN

Durante la ocurrencia de eventos sísmicos fuertes, como los sobrevenidos en Los Ángeles, Estados Unidos, 1994; Kobe, Japón, 1995; Chi Chi, Taiwan, 1999; Chile, 2010; Filipinas, 2013, muchos puentes de hormigón colapsaron o resultaron dañados; lo cual provocó pérdidas materiales y humanas y afectó considerablemente las redes viales y, consecuentemente, la transportación (Figura 1).

Puentes dañados durante terremotos fuertes. a) Grieta diagonal por cortante en pila de hormigón poco reforzada, puente Wu shu, Taichung. b) Colapso de tramos, puente Shi wei, Taichung (Buckle, Friedland, Mander, Martin, Nutt and Power; 2006). c) Caída de tramos.
Figura 1
Puentes dañados durante terremotos fuertes. a) Grieta diagonal por cortante en pila de hormigón poco reforzada, puente Wu shu, Taichung. b) Colapso de tramos, puente Shi wei, Taichung (Buckle, Friedland, Mander, Martin, Nutt and Power; 2006). c) Caída de tramos.

Teniendo en cuenta el comportamiento que han manifestado estas estructuras ante acciones sísmicas fuertes, en Santiago de Cuba se han realizado investigaciones para evaluar la vulnerabilidad sísmica estructural de puentes de carreteras. Morejón, Candebat, Ferrera, Márquez, Arango, Zapata, Chuy y Díaz (2006) demuestran que el 64.0 % de los puentes ubicados en la red vial de interés nacional de la provincia posee una vulnerabilidad entre moderada y alta. Igualmente, Torres (2009), en su estudio de los puentes de la autopista nacional, confirma que la tipología cubano-italiana, creada para dar respuesta a la construcción de obras de fábrica en zonas sísmicas, tiene características asociadas a su diseño que la hacen vulnerable ante la acción sísmica.

Posteriormente, Candebat, Godínez y Caballero (2012) y Orduñez, Candebat y Godínez (2013), a través de análisis estáticos no lineales, determinan la poca ductilidad que presentan las columnas prefabricadas de las pilas de puentes construidos con la misma tipología.

En general, los problemas identificados por estos autores en los puentes prefabricados construidos en las carreteras de interés nacional de Santiago de Cuba se refieren a:

Algunos de los problemas detectados han sido la causa de daños severos y hasta el colapso de puentes en otras zonas del planeta. Kawashima y Unjoh (2004) exponen que una de estos, la caída de tramos simplemente apoyados, provocó los daños observados en el terremoto de Kobe (1995). Asimismo, Kawashima, Unjoh, Hoshikuma and Kosa (2010) y Aguiar (2011) han manifestado que algunas de las evidencias del mal comportamiento de los puentes durante el terremoto de Chile, 2010, fueron precisamente la ausencia o el mal diseño de las trabas sísmicas y la usencia de diafragmas; lo que propició la caída de los tramos de la superestructura.

Además, en inspecciones realizadas a las estructuras ubicadas en las carreteras de interés nacional de Santiago de Cuba se han podido detectar los problemas que se mencionan a continuación:

Estos problemas se observan con frecuencia; además, se ha constatado el fallo de cuatro de ellos (puentes sobre los ríos La Magdalena, Avispero y Peladero en la carretera Granma, y sobre el río San Juan en la Circunvalación (Figura 2).

Puentes prefabricados de hormigón, fallos por socavación, carreteras de Santiago de Cuba.
Figura 2
Puentes prefabricados de hormigón, fallos por socavación, carreteras de Santiago de Cuba.

Los elementos analizados, referidos al comportamiento de los puentes ante acciones sísmicas generadas por eventos fuertes en el mundo y a las características y condiciones técnicas de estas estructuras en Cuba, propician un elevado nivel de vulnerabilidad sísmica estructural; de ahí que el objetivo de este trabajo fue sustentar teóricamente un procedimiento para la rehabilitación estructural sismorresistente de puentes en el país. Este procedimiento resulta una herramienta importante para la mitigación del riesgo sísmico.

MÉTODO

Para cumplir el objetivo trazado se realizó una revisión bibliográfica relacionada con el tema de la rehabilitación estructural sismorresistente. Se adoptó la siguiente metodología.

  1. 1. Establecer una definición de rehabilitación estructural sismorresistente, teniendo en cuenta la diversidad de criterios que existen sobre este tema.
  2. 2. Definir los aspectos que deben ser evaluados para la selección de las estructuras que deben ser rehabilitadas.
  3. 3. Seleccionar las variables que intervienen en la evaluación preliminar de la vulnerabilidad sísmica estructural de puentes.
  4. 4. Definir los parámetros que se deben considerar para seleccionar las estrategias de rehabilitación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La rehabilitación estructural sismorresistente de puentes en el mundo

Al decir de CYTED (2003) la rehabilitación de estructuras de hormigón armado y pre y postensado es una actividad compleja que exige un conocimiento profundo del comportamiento de los materiales, sistemas y procedimientos de ejecución. Algunas de las definiciones formuladas por la comunidad científica son las siguientes:

Gavarini (1994) manifiesta que la rehabilitación es la intervención hecha para la recuperación estructural y/o eliminar defectos estructurales.

Por su parte, González (1999) la iguala al término recuperación y afirma que es una operación que “considera los trabajos que se realizan para recuperar el estado inicial perdido con el deterioro; de modo que los elementos readquieran su capacidad resistente” (p. 25).

Esta investigación no concuerda con estos autores, que relacionan la rehabilitación únicamente con la recuperación del estado inicial de la estructura, pues una rehabilitación estructural requiere de una actualización en el análisis de las cargas actuantes, lo que quizás implique un incremento de su capacidad resistente; o sea, un reforzamiento estructural.

Helene y Pereira (2007) expresan que “la rehabilitación comprende todas las actividades desde la evaluación de la estructura hasta su protección una vez reparada y reforzada” (p. 143). Manifiestan, además, la importancia de considerar el tiempo de vida útil de la estructura al realizar su rehabilitación.

Estos autores se refieren a dos aspectos importantes, primeramente señalan que la estructura puede requerir un reforzamiento; por tanto, están considerando la posibilidad de que su capacidad estructural original no sea adecuada para soportar el nivel actual de cargas. Luego, mencionan el término tiempo de vida útil, elemento importante; pues la rehabilitación debe ser encaminada precisamente a incrementar el tiempo de vida de la estructura. Asimismo, la definición dada por American Association of State Highway and Transportation Officials [AASHTO] (2012,) es considerada correcta, aunque incompleta, por cuanto manifiesta que “es un proceso mediante el cual se restablece o incrementa la resistencia de puentes” (p.3).

Refiriéndose específicamente a la rehabilitación sísmica, Applied Technology Council [ATC] 40, (1996) declara que “una estrategia de rehabilitación es una aproximación básica adoptada para mejorar el desempeño sísmico del edificio o, por otra parte, para reducir el riesgo existente a un nivel aceptable” (p. XIV).

ATC and Federal Emergency Management Agency [FEMA] 273, 274 (1997) y American Society of Civil Engineers and FEMA 356 (2000) expresan que la rehabilitación sísmica persigue la reducción de la vulnerabilidad sísmica de la edificación y que su objetivo es lograr un estado deseado de límites de daños y pérdidas para una demanda sísmica dada, la cual es usualmente seleccionada por el propietario, el ingeniero y/o por agencia públicas.

El Comité Ejecutivo de la Norma Ecuatoriana de Construcción (2011) la conceptualiza como “la evaluación y el diseño de sistemas de rehabilitación sísmica para mejorar el desempeño sísmico de estructuras existentes en función del cumplimiento de un objetivo de desempeño sísmico” (p.3).

Estas últimas referencias mencionan elementos como objetivo de desempeño y estado deseado de límites de daños, poniendo de manifiesto uno de los aspectos más importantes del análisis sismorresistente actual: la rehabilitación por desempeño. Esto se refiere a la necesidad de una relación entre el nivel de demanda de cargas y el comportamiento esperado a partir del control de los daños que pueden ocurrir en la estructura.

Teniendo en cuenta los criterios de los autores mencionados, esta investigación no coincide con la utilización, para referirse a la rehabilitación, de vocablos como intervención y actividad, por considerarlos muy simplistas. Según las definiciones examinadas, la rehabilitación implica la ejecución de actividades o tareas; por tanto, es un proceso que debe integrarlas, ya que estas individualmente no aseguran su éxito, que radica, precisamente, en su interrelación efectiva. Involucra también la necesidad de retroalimentación sistemática, pues, como expresan ATC–40 (1996), ATC and FEMA 273, 274 (1997) y American Society of Civil Engineers and FEMA 356 (2000) su objetivo final está dirigido a garantizar un mejor desempeño ante la demanda de cargas consideradas; por consiguiente, las medidas adoptadas y su implementación deben ser analizadas para garantizar su eficacia y su viabilidad técnica y económica.

Se asume entonces, como definición a los efectos de esta investigación, que la rehabilitación estructural sismorresistente es un proceso integrador dirigido a incrementar el tiempo de vida útil de la estructura, para un nivel controlado de daños en relación con un nivel definido de cargas; proceso que exige además retroalimentación constante.

En relación con el tratamiento de este tema en el caso de los puentes, Buckle et al. (2006),Wilson and Ryan (2009) y el Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos de Costa Rica [CFIACR] (2013) concuerdan en establecer que el proceso de rehabilitación sismorresistente se sustenta en tres etapas: el análisis para la selección y priorización de las estructuras que se rehabilitarán, la evaluación detallada de su vulnerabilidad sísmica estructural y la selección de la estrategia de rehabilitación. A continuación se muestra un análisis de los elementos teóricos que deben ser considerados en el análisis para la selección y priorización y en la selección de las estrategias de rehabilitación.

Etapa de análisis para la selección y priorización

En esta etapa, cuyo objetivo consiste en identificar aquellas estructuras con mayor probabilidad de ser dañadas e incluso colapsar durante un sismo fuerte, se han propuesto diferentes metodologías. En general, las estudiadas refieren como aspectos decisivos en la selección de las estructuras los siguientes (Bazoz and Kiremidjian, 1995; Buckle et al., 2006 y Willson and Ryan, 2009):

Muntasir (2011) realizó un análisis de métodos existentes para la priorización de puentes que se van a rehabilitar. A continuación, se muestran las principales consideraciones adoptadas por varios de estos métodos y las principales ventajas y desventajas identificadas por este autor (tabla 1).

Tabla 1
Revisión de métodos existentes para la priorización. Factores considerados, ventajas y desventajas
Factores consideradosVentajasDesventajas
Método: Babei and Hawkins (1991)
Factor de carácter crítico: tipo de ruta, distancia hasta el desvío, utilidad, promedio de tráfico diario, longitud del puente. Factor de vulnerabilidad: aceleración en roca, vida remanente y vulnerabilidad estructural.Los puentes son divididos en cinco grupos, según sus deficiencias estructurales. Luego, los puentes de cada grupo son evaluados en términos de su importancia.Ambos factores poseen el mismo peso en el modelo de priorización. No siguen ningún procedimiento para asignar el peso.
Método: Cooling et al (1992)
Factor de riesgo sísmico: probabilidad de fallo y consecuencias del fallo. Estas últimas son derivadas mediante una función de valores multiatributos.Dos niveles de análisis permiten una evaluación más detallada de los factores que provocaron desempeños inadecuados en terremotos pasados.No consideran el volumen de tráfico, factores económicos y factores relacionados con el costo de la rehabilitación. El rango obtenido por la multiplicación de dos componentes principales puede distorsionar el rango final.
Método: FHWA (1995)
Factores de vulnerabilidad, peligro sísmico y factores socioeconómicos.Los puentes son clasificados en cuatro grupos de acuerdo con el coeficiente de aceleración y la categoría de importancia, lo que ayuda a identificar los puentes que necesitan ser rehabilitados.No se considera el estado de los elementos del puente.
Método: Transport Quebec (1996)
Índice de función, índice de condición e índice de vulnerabilidad.Toma en cuenta el tipo de ruta y de puente a evaluar, el volumen de tráfico, la distancia hasta el desvío, condición de la cimentación y el comportamiento estructural.Ignora el factor económico, la relación costo-beneficio, condiciones del suelo y vulnerabilidad de los elementos de la estructura.
Muntasir (2011)

En la tabla 1 se observa que los autores estudiados por Muntasir (2011) coinciden con los autores citados anteriormente, ya que consideran como uno de los factores determinantes para la priorización las características e importancia de la estructura. Igualmente, se puede constatar que el nivel de vulnerabilidad estructural es otro factor esencial. A continuación, se muestra un análisis de estos dos aspectos.

En relación con la clasificación de la categoría o importancia de las estructuras, esta investigación, teniendo en cuenta criterios presentados, además de lo expresado por Priestley, Seibley y Calvi (1996), considera que se deben tener en cuenta aspectos imprescindibles, tales como:

Asimismo, el autor considera que aspectos relacionados con el impacto al medioambiente también deben ser evaluados. Esta reflexión se basa en lo manifestado por Borrajo (1999), el cual asegura que el sistema hidrológico debe ser protegido, ya que:

(…) los ecosistemas asociados y los cursos de agua son muy valiosos, al coexistir los medios terrestre y acuático en una situación de frágil equilibrio. Además su marcado carácter lineal los hace especialmente vulnerables (…), cualquier vertido o alteración del medio acuático también puede tener fatales consecuencias (p.8).

De igual manera, Villareal (2002) asegura:

La interferencia que causan las infraestructuras de los puentes en la red hidrológica, el impacto de las comunidades en las riveras y las perturbaciones que se puedan generar en los mantos freáticos, son un grupo de factores que se deben tener en cuenta (…) (p.821).

Por tanto, estos aspectos se relacionan con el impacto negativo que supone el daño o colapso de una estructura en el recurso hidrológico que salva y, por ende, en la ecología de la región.

Igualmente, los elementos históricos deben ser tenidos en cuenta, pues las estructuras de valor patrimonial deben ser salvaguardadas. Helene y Pereira (2007) se refieren al valor histórico cuando manifiestan:

(…) si la estructura tiene valor histórico es patrimonio arquitectónico del país o la ciudad, se debe definir previamente, en unión de autoridades, propietarios, restauradores y especialistas en materiales, la manera en que se enfrentará la restauración, respetando al máximo su arquitectura y aspecto exterior, así como los materiales originales.

Inmediatamente, se muestran los aspectos considerados por algunas regulaciones y manuales.

Según Bazoz and Kiremidjian (1995) y Muntasir (2011) se establece un sistema multiatributos para determinar el rango de priorización de cada estructura. Este documento, al valorar el impacto de la estructura, analiza el promedio diario de tráfico que circula por el puente o por vías localizadas sobre o bajo este, la distancia hasta los desvíos, la existencia de espacios arrendados alrededor de la estructura, el tipo de ruta, su utilidad crítica y el paso por la estructura de líneas vitales (redes de agua, comunicación, electricidad). No incluye la evaluación de los aspectos económicos, medioambientales e históricos mencionados.

Buckle et al. (2006) y Willson and Ryan (2009) precisan factores socioeconómicos y de defensa que determinan la importancia de la estructura; de ahí que estas son clasificadas en esenciales y ordinarias, obviando los aspectos medioambientales. Además, analizan como elementos subjetivos la redundancia de la red vial, las deficiencias de la estructura que no dependen de la acción sísmica y su vida de servicio anticipada. Este último parámetro es novedoso, pues tiene en cuenta la factibilidad de la rehabilitación según el tiempo de vida útil que le queda a la estructura.

Muntasir (2011) propone un método para la priorización basado en la obtención de un rango que depende del factor de importancia del puente (factores económicos, de comportamiento y social), del índice de costo (costo asociado a la rehabilitación, costo incurrido por el usuario de la vía durante la rehabilitación) y del índice de condición del puente (medida de la condición promedio del puente y sus componentes).

Este autor introduce en su propuesta el aspecto social a partir del análisis del volumen de tráfico, la distancia hasta los desvíos y la existencia sobre el puente analizado de líneas de transmisión de agua, electricidad y gas. Se observa en la propuesta de Muntasir (2011) la ausencia de aspectos ya mencionados; a decir, la incidencia de la estructura en la recuperación posterremoto de las comunidades aledañas que dependen del puente para garantizar la comunicación con el exterior, el impacto negativo que puede provocar el colapso o la ocurrencia de daños de estas estructuras al medioambiente.

CFIACR (2013), como aspecto novedoso, realiza una clasificación de la importancia de los puentes, incluyendo además las categorías de puentes críticos y convencionales. No obstante, los parámetros considerados para la clasificación también se basan, en lo fundamental, en aspectos sociales y económicos, dejando fuera los elementos relacionados con el impacto al medioambiente y el valor histórico de las estructuras.

En general, de este análisis se concluye que de una forma u otra los autores estudiados tratan los aspectos sociales, técnicos, económicos y políticos mencionados en la clasificación de las estructuras; pero frecuentemente obvian los parámetros relacionados con el impacto al medioambiente y aquellos que conciernen al valor patrimonial.

A propósito de la evaluación preliminar de vulnerabilidad sísmica estructural, constituyen puntos de referencia los métodos propuestos por Buckle et al. (2006). Uno de ellos utiliza índices sobre la base del análisis de los siguientes elementos: conexiones, aparatos de apoyo y longitudes de apoyo, pilotes, columnas y cimentaciones; estribos y suelos. Otro método se basa en la evaluación de daños esperados, a partir de la confección de curvas de fragilidad; las cuales son obtenidas sobre la base del conocimiento de las características de las estructuras, sus materiales, condiciones del sitio y peligrosidad sísmica del área.

Confirmada la incidencia del factor vulnerabilidad en la priorización, se han investigado otras metodologías basadas en la utilización de índices y que pueden ser utilizadas en esta etapa. Con este análisis se ha podido determinar cuáles son los parámetros que habitualmente proponen los investigadores para determinar el nivel de vulnerabilidad sísmica estructural.

Jara, J. M., Jara, M., Olmos y López (2010) realizan una revisión de métodos existentes para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de puentes, identificando qué parámetros son usualmente empleados por sus autores (tabla 2). Estos autores señalan que fueron objeto de su investigación las propuestas realizadas por ATC – 6 - 2 (1983), ATC – 25 (1991), Dolce et al. (1994), Xueshen y Shuming (1995), Dicleli y Bruneau (1996) y Bazoz and Kiremidjian (1995).

Tabla 2
Parámetros
Longitud de apoyos en pilas y estribosTipo de cimentación
Tipo de superestructuraAceleración máxima del terreno
Año de construcción (normas usadas)Tipo de estribos
Ángulo de esviajeLongitud del puente
Material de las pilasAncho del puente
Refuerzo en pilasPromedio de tráfico diario
Efectos de sitioAltura de estribos
Tipos de apoyoRefuerzo de la cimentación
Potencial de licuefacciónLongitud efectiva de columnas
Irregularidad en rigidezDimensión transversal de columnas
Rehabilitaciones previasAsentamiento de terraplenes de acceso
Número de clarosEstado de conservación del puente
Tipo de subestructuraProcedimiento constructivo
№ de articulaciones internasElementos no estructurales

Parámetros que se emplean en distintas metodologías para estimar la vulnerabilidad sísmica de puentes

Jara et al. (2010)

Relacionando los parámetros identificados en la tabla 2 por Jara et al. (2010) con las afectaciones que más comúnmente han manifestado estas estructuras durante la ocurrencia de sismos fuertes, se puede comprobar que estos están intrínsecamente relacionados con los aspectos que han constituido causa de daños. Por lo tanto, su análisis permite establecer con qué nivel de probabilidad las estructuras evaluadas pueden ser afectadas por eventos de este tipo.

Como parte de esta investigación se valoraron otras metodologías, constatando que los elementos considerados por estos autores se encuentran entre los identificados en la tabla 2 por Jara et al. (2010).

Como resultado de este análisis se pueden definir los parámetros que son usualmente utilizados por los especialistas para evaluar la vulnerabilidad sísmica de puentes. Sin embargo, teniendo en cuenta los daños observados, existen algunos elementos que no son tomados en cuenta por los métodos estudiados y que intervienen de forma significativa en el comportamiento de estas estructuras:

La inclusión de estos parámetros garantiza una evaluación integral, lo cual permite identificar aquellos aspectos que afectan el comportamiento estructural global y facilita la posterior evaluación detallada de las estructuras con mayor nivel de vulnerabilidad preliminar.

Etapa de selección de la estrategia de rehabilitación

La etapa de selección de la estrategia de rehabilitación, al decir de ATC and FEMA 273 (1997), American Society of Civil Engineers and FEMA 356 (2000), Buckle et al. (2006), New Zealand Society for Earthquake Engineering [NZSEE] (2006), Willson and Ryan (2009) y CFIACR (2013), incluye el diseño de las medidas de rehabilitación, luego de determinar si las estructuras analizadas son vulnerables sísmicamente.

Estos autores coinciden en que la adopción de dicha estrategia se basa en la consideración de varios aspectos, haciendo especial énfasis en el costo-beneficio de las medidas seleccionadas y en sus parámetros técnicos. Por otra parte, Buckle et al. (2006), Willson and Ryan (2009) y CFIACR (2013) también mencionan aspectos sociales, políticos, históricos y medioambientales. Las valoraciones que realizan estos autores en relación con cada uno de los aspectos mencionados se muestran a continuación.

El autor coincide con Helene y Pereira (2007) cuando afirman que el momento de elegir la estrategia de rehabilitación estructural es importante, ya que influirá irremediablemente en los costos del proyecto, la duración de los trabajos, la eficacia de la reparación y la durabilidad de la misma. Estos autores también afirman que los materiales de reparación y el sistema de aplicación de los mismos debe ser objeto de un juicioso estudio.

Igualmente, las estrategias adoptadas deben retroalimentar el proceso de rehabilitación. En este sentido, se debe garantizar que con su implementación la estructura intervenida cumpla con el nivel de desempeño predeterminado en función de su importancia y la acción sísmica utilizada en el análisis.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Notas de autor

Teléfonos: 641112
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