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DAÑOS FRECUENTES ORIGINADOS POR SISMO EN LOS PUENTES DE LA RED FEDERAL MEXICANA

Ing. Ignacio Enrique Hernández Quinto1 Ing. Luis Carlos Campos de la Fuente2.

RESUMEN Se describe el comportamiento de puentes mexicanos más comunes, comportamientos generados por efectos sísmicos, en especial los puentes localizados en las carreteras federales, libres de peaje con claros entre 6 a 50 m de longitud y con gran variedad de tipos de estructuraciones. Se analizan los daños típicos (asentamientos, deformaciones, desplazamientos, golpes en topes, etc.), tomando en cuenta los criterios de diseño sísmico que usualmente se aplican en este tipo de estructuras (indicados en la nueva Normativa de la SCT y en la normas AASHTO) y las enseñanzas que se obtuvieron para mejorar las prácticas de diseño.

ABSTRACT The behavior of road bridges during the earthquakes is described and typical damages are analyzed, under the focus of seismic design criteria. Lessons learn to improve the design practices is also presented.

INTRODUCCIÓN La vibración del terreno durante un sismo no es el único aspecto que debe tomarse en cuenta en un sismo. Fenómenos asociados a ella, como la licuación de suelos granulares saturados, la densificación de rellenos sueltos, la falla de taludes, han sido causa de daños mucho más frecuentes que la falla estructural de puentes. Los daños más frecuentes en puentes se relacionan con problemas de cimentaciones desplantadas sobre suelos poco firmes: arenas saturadas y poco densas o arcillas compresibles. Se han presentado asentamientos, desplazamientos o rotaciones de las cimentaciones que han dado lugar a la caída de la superestructura. Particularmente frecuentes han sido los casos de licuación. También se han presentado fallas de estribos y la densificación de los terraplenes de acceso. A raíz de los sismos de septiembre de 1985 se revisaron alrededor de 250 puentes en la red carretera y ferroviaria de los Estados de Guerrero, Michoacán y Colima, en la zona cercana al epicentro, con objeto de identificar y evaluar los daños causados por esos terremotos para tomar medidas que garantizaran la seguridad de los usuarios. Del total de estructuras revisadas, aproximadamente la tercera parte sufrió daños menores, en cinco se presentaron daños moderados y únicamente en tres casos fue necesario interrumpir el tránsito de vehículos en vista de la importancia de los daños ocurridos. En cada ocasión que sucede un evento importante se efectúa una revisión detallada de los puentes que han sido afectados.

1 Director de Apoyo Técnico, Dirección General de Servicios Técnicos, Secretaría de Comunicaciones y

Transportes, Prof. De asignatura en la FES Aragón, UNAM, Av. Coyoacán 1895 Col. Acacias México D.F. C.P. 03240, México D. F., tel (55) 54 82 42 83, Fax 55 34 99 45, ihquinto@sct.gob.mx.

2.-Subdirector de Analisis Estructural, Dirección General de Servicios Técnicos, Secretaría de Comunicaciones y Transportes, Prof. De asignatura en la FES Aragón, UNAM, Av. Coyoacán 1895 Col. Acacias México D.F. C.P. 03240, México D. F., tel (55) 54 82 42 83, Fax 55 34 99 45, lucampos@sct.gob.mx

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DATOS ESTADÍSTICOS DE PUENTES EN LA RED CARRETERA FEDERAL No obstante que nuestra red nacional carretera (355, 796 km, dato de 2006) está compuesta por tres redes principales (red federal, red alimentadora y red rural), en este escrito sólo nos referiremos principalmente a la red federal debido a que contamos con mayor información de esta red. En los aproximadamente 48,300 km de la red federal de carreteras, existen 7,230 puentes con una longitud del orden de 300 km, (datos del año 2006) que representan una inversión superior a los 11.5 billones de pesos. El primer inventario de los puentes de la red federal de carreteras se levantó con un enfoque sistémico en 1983 y pocos años después se implantó el Sistema SIPUMEX, para la atención de los puentes de la red. Fue necesario crear una Residencia de Puentes en cada Estado y llevar a cabo acciones de capacitación para que el personal de esas Residencias pudiera realizar las acciones previstas por SIPUMEX. Generalmente las inspecciones preliminares y principales han sido realizadas por personal de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes.

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No. DE PUENTES POR ESTADO

Figura 1 Número de Puentes en la Red Federal por estado. Fuente: Subsecretaria de Infraestructura, SCT, 2006

DAÑOS MAS COMUNES ASENTAMIENTOS DE TERRAPLENES DE ACCESO Se han presentado desniveles verticales entre la rasante del puente y la del terraplén de acceso, en algunos casos hasta de 20 cm, acompañado por el agrietamiento longitudinal del terraplén. Este problema se observa en cruces con suelos blandos, en los que frecuentemente el puente se desplanta sobre cimientos profundos

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural(pilotes o cilindros) en tanto que el terraplén se apoya superficialmente. El asentamiento relativo del terraplén respecto al puente suele presentarse a mediano plazo. El sismo actúa como un acelerante del fenómeno.

Figura 2 Asentamientos en terraplenes DESPLAZAMIENTOS TRANSVERSALES DE LA SUPERESTRUCTURA Ha sido frecuente observar, después de un terremoto, desplazamientos transversales relativos entre tramos adyacentes, manifestados por desalineamientos de los parapetos y de las guarniciones. Estos desplazamientos ha sido en general pequeños (de 2 a 5 cm) y sólo en dos puentes en 1985 adquirieron valores importantes, del orden de 20 cm. Para prevenir este tipo de desplazamientos se colocan, desde hace algunos años, dispositivos como apéndices que emergen de las coronas para impedir estos desplazamientos, llamados topes. En algunos puentes los topes resultaron ineficientes, puesto que se fracturaron bajo la acción de la fuerza lateral debido a que estaban separados de los elementos de soporte de la estructura, provocando un efecto de impacto a demás de encontrarse en posiciones inadecuadas y con poca rigidez. .

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Figura 3 Desplazamientos transversales de la superestructura DAÑOS EN JUNTAS DE DILATACIÓN En las juntas de dilatación entre tramos consecutivos de la superestructura se encontraron frecuentemente daños, indicativos de la ocurrencia de fuertes desplazamientos longitudinales durante el sismo. El movimiento longitudinal ocasionó el golpeteo entre tramos adyacentes. En algunos casos los tramos quedaron desplazados de su posición original, por lo que las juntas se observaban excesivamente abiertas o cerradas. DAÑOS EN APOYOS Los dispositivos de apoyo por los que la superestructura transmite las cargas a la subestructura resultan puntos críticos en el comportamiento sísmico de puentes. En nuestro país, los dispositivos de apoyo de mayor antigüedad son los de acero, los que, por su alto costo y por los problemas de mantenimiento que involucraban, fueron posteriormente substituidos por apoyos de concreto y plomo; estos últimos a su vez, por el mal comportamiento de las placas de plomo, han sido substituidos por apoyos elastoméricos de neopreno encapsulando placas metálicas. En los sismos de 1985 se reporto un caso donde se tuvo una falla importante de un apoyo de acero, puesta de manifiesto por el aplastamiento y molido del concreto en la corona de la subestructura y en la base de la superestructura. Esta falla se originó tal vez en la falta de movilidad del apoyo por la corrosión de sus elementos. Algunas estructuras con apoyos de plomo han presentado desniveles verticales entre tramos consecutivos como consecuencia del súbito aplastamiento del apoyo; parece ser que la solicitación dinámica en este caso acelera el fenómeno de fluencia del plomo, que según se ha observado ocurre en un largo plazo. En los dispositivos de neopreno más antiguos, el apoyo móvil están formado por varias placas de neopreno sueltas, intercaladas entre placas de acero y sobrepuestas formando una columna. Algunos de estos apoyos fallaron durante el sismo de 1985 por el excesivo desplazamiento relativo entre placas, que desplomó esa agrupación. Los dispositivos móviles modernos se forman fundiendo las placas de neopreno en un molde que ya contiene las placas de acero para forma un apoyo integral. El comportamiento sísmico de estos apoyos ha sido mejor que el de los anteriores. Sólo en un caso en 1985 los apoyos integrales se desgarraron por efecto del cortante sísmico y hubieron de ser substituidos. Estos apoyos correspondían a un viaducto para ferrocarril, con superestructura de sección cajón, de concreto presforzado, alojada en una fuerte curva horizontal, con un claro central de 80 m y dos laterales de 60 m, continua con las pilas de 60 m de altura. Pudo deducirse que en uno de sus extremos la estructura tuvo un desplazamiento máximo transversal de 35 cm; después del sismo quedó con un desplazamiento transversal permanente de 2 cm, estos desplazamientos no causaron daños en la estructura y únicamente motivaron el rompimiento de los apoyos.

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralFigura 4 Golpes de la superestructura con topes laterales

DAÑOS EN MUROS DE CONTENCIÓN Varios muros de contención han sido insuficientes para acciones permanentes, sufrieron daños por los sismos, consistentes en volcamientos y fracturas. DAÑOS EN SUBESTRUCTURAS Aún cuando los elementos de subestructura suelen ser motivo de especial cuidado durante el proyecto para considerar los efectos sísmicos en su diseño, la revisión minuciosa de los mismos en los puentes inspeccionados en 1985 sólo permitió detectar las siguientes fallas: Una pila de mampostería tuvo un asentamiento vertical de aproximadamente 15 cm, acompañado de la fractura de juntas y dislocación generalizada de piedras en su cuerpo. Otra pila del mismo material tuvo un importante desconchamiento en uno de sus extremos, que dejó sin apoyo a una de las vigas de la superestructura. Otra pila de concreto simple presentó una fractura vertical, en la proximidad del tajamar y desde el terreno natural hasta dos tercios de su altura descubierta. Un estribo de mampostería, del viaducto ferroviario antes descrito, sufrió una fractura vertical en toda su altura. Un caballete de concreto reforzado presentó una falla de cortante en el cabezal. Cabe mencionar el caso de una pila de sección circular hueca, de aproximadamente 30 m de altura, que a pesar de presentar a la altura del terreno una fuerte desconchadura del concreto por efecto de la erosión, que dejaba al descubierto la mayor parte del acero de refuerzo y reducía la sección de concreto a sólo ½ de la original, no presentó daños por sismo. Especial interés revisten los daños a la subestructura de un puente en el acceso a la isla del Cayacal, en el puerto industrial de Lázaro Cárdenas, Mich. El puente está formado por dos estructuras gemelas, cada una con 6 tramos simples de 30 m de claro. La subestructura la forman pilas y caballetes sobre cilindros de concreto reforzado. Cada pila está constituida por una columna central de sección circular continua con un cabezal en doble voladizo. La unión entre la columna y el cabezal de cada pila desarrolló una falla importante ya que, aparte de fracturarse el concreto, se observaron evidencias de fluencia por pandeo en las varillas principales de la columna.

Figura 5 Daños en pilas del puente Lázaro Cárdenas

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En uno de los cuerpos del puente se suspendió totalmente el tránsito; en el otro quedó restringido a un solo carril y a baja velocidad, centrando ese carril para disminuir los efectos de flexión en los cabezales. Las pilas fueron apuntaladas en tanto se procedía a su reparación.

Figura 6 Daños en pilas de mamposteria La causa principal de estos daños fue la cercanía del puente al epicentro del primer terremoto, lo que ocasionó movimientos de intensidad IX en la escala modificada de Mercalli, intensidad superior a la implícita en las normas de diseño. Como causas contribuyentes a los daños pueden señalarse la falta de ductilidad de la conexión entre cabezal y columna por insuficiencia de refuerzo de confinamiento y los efectos de la inercia rotacional de la masa de la superestructura que se aplica a la pila en voladizos de gran brazo.. DAÑOS EN SUPERESTRUCTURA Los daños en superestructuras han sido prácticamente nulos y sólo se han presentado los descritos en juntas y apoyos

DISEÑO SISMICO DE PUENTES EN MEXICO Se caracteriza por la falta de una práctica establecida común. Esto fue propiciado por la falta de normativa nacional específica. No obstante en la mayoría de los casos se emplean métodos estáticos de análisis, consistentes en la consideración de una fuerza lateral aplicada en la punta de las pilas e igual a cierta fracción del peso que soporta. Hay grandes diferencias en los valores de dicha fuerza adoptados por diferentes proyectistas. Este aspecto se pretende atacar con la elaboración de la Normativa SCT la cual se encuentra en proceso de desarrollo desde el 2000. Para puentes importantes, sobre todo recientemente, se aplican métodos mucho más refinados. Los análisis dinámicos del conjunto son ahora muy accesibles por los programas de computador. Aunque hay algunos aspectos difíciles de tomar en cuenta (movimientos locales en los apoyos, movimientos fuera de fase y no linealidad introducida por el destensado de cables, por ejemplo) el problema de análisis no presenta ya grandes complicaciones. Las dificultades principales estriban en la falta de claridad y de justificación de los criterios de diseño

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COMENTARIOS IMPORTANTES EN CASOS INTERNACIONALES A partir de los sismos ocurridos en los últimos treinta años se ha observado que algunas estructuras especiales, como los puentes, han sufrido daños importantes. Fue a partir del sismo de San Fernando en 1971 donde se presentaron estos daños, por lo que se tomaron medidas corrigiendo las normas de diseño vigentes en esa época. Al presentarse los sismos de Loma Prieta (1989) y Northridge (1994), ambos en California, ocurrieron nuevos daños, lo que condujo a una nueva revisión de las normas de diseño. En 1995 en Kobe, Japón, ocurrió otro sismo que causó gran daño en la ciudad. Dentro de los daños ocurridos en puentes y vialidades elevadas, se tienen los debidos al colapso por pérdida de apoyo de la superestructura, o para varios sismos recientes, por causa de los grandes desplazamientos relativos entre las pilas en dirección longitudinal.

CONCLUSIONES De los daños descritos arriba, puede deducirse que los efectos de los sismos de septiembre de 1985 y en sismos posteriores en los puentes pueden ser calificados de moderados, sobre todo si se les compara con los efectos causados a las edificaciones en Lázaro Cárdenas, Mich., Cd. Guzmán, Jal. y en la zona del antiguo lago en la Ciudad de México. Estas diferencia puede explicarse en parte por las siguientes razones: a) Los puentes son en general estructuras de corta altura con elementos masivos de gran rigidez, por lo que sus períodos fundamentales de oscilación son cortos, inferiores a 0.5 seg; en consecuencia, su respuesta ante un movimiento con las características del generado por el sismo del 19 de septiembre de 1985, es mucho menor que la de edificaciones flexibles, con períodos fundamentales mayores cercanos a los 2 seg. b) Como medio de defensa contra el fenómeno de socavación durante las crecientes máximas, los puentes se proveen generalmente de cimentaciones de gran profundidad, hasta estratos de gran capacidad estructural. c) Las juntas de dilatación y los dispositivos de apoyo constituyen elementos de aislamiento que contribuyen en forma importante a la disipación de energía y que reducen las solicitaciones que son transmitidas a la subestructura. El análisis de estos aspectos favorables nos permite, por otro lado, señalar líneas de estudio que deben emprenderse en prevención de daños futuros:

a) Los daños a los puentes pueden ser más graves durante otros eventos sísmicos con características diferentes de la excitación o si se construyen estructuras más flexibles.

b) Habrán de emprenderse análisis de estructuras importantes en las que se considere el trabajo conjunto del suelo circundante y de los elementos de cimentación, para las diferentes solicitaciones sísmicas posibles.

c) Es recomendable investigar el comportamiento dinámico de los elementos que actualmente se usan como dispositivos de apoyo y juntas de dilatación.

La principal dificultad actualmente en el análisis de puentes es el modelado correcto de sus elementos. Las investigaciones que sobre ellos se emprendan permitirán desarrollar nuevos tipos de apoyos, como los que se han empezado a usar en otros países, en los que se combinan el caucho y el plomo para permitir integrar apoyos que, por medio de fricción, incrementan el amortiguamiento y por lo tanto disminuyen la respuesta sísmica de la estructura.

RECOMENDACIONES Por lo que se refiere a las prácticas de diseño, el análisis de los daños observados permite apuntar las siguientes:

1. El método de la fuerza estática equivalente, usualmente aplicado para el diseño sísmico, da resultados satisfactorios para el diseño de estructuras de marco rígido y conservadores para estructuras de tramos simplemente apoyados, ya que en general en estos últimos no se consideran los efectos de aislamiento de los dispositivos de apoyo.

2. Los apoyos transversales o topes sísmicos usualmente se subdiseñan, ya que la carga lateral se evalúa considerando implícitamente un factor de ductilidad que el tope no es capaz de desarrollar. Se recomienda diseñarlos con una ductilidad Q=1. Para mejorar su comportamiento es aconsejable,

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además, rellenar con una placa lateral de neopreno la holgura entre la superestructura y el tope, para que ésta desaparezca y no exista efecto de impacto.

3. Los desplazamientos que actualmente se prevén son inferiores en mucho a los que pueden presentarse bajo un sismo intenso. En consecuencia es preciso mejorar la calidad de los materiales de sello de las juntas para aumentar su durabilidad y su elasticidad. Otra solución es evitar las juntas dando continuidad en las losas con claros menores de 30 m uniendo hasta tres tramos.

4. Los terraplenes de los accesos sobre suelos blandos deben tener bases más amplias, obtenidas por medio de bermas o por taludes más tendidos, para prevenir los asentamientos del suelo de cimentación por efectos de sismos intensos, además de usar materiales ligeros en su construcción, para que el suelo de cimentación no cambie las condiciones de esfuerzos que tenia anteriormente.

En subestructuras, las fallas observadas en elementos de mampostería son atribuibles a la mala calidad de ejecución de ésta. Por lo que en puentes importantes y en zonas sísmicas, conviene evitar su uso a favor del concreto reforzado.

REFERENCIAS SCT. (1986-2007), “Reportes de daños en puentes en la carretera nacionales”, Reportes técnicos de la Dirección General de Servicios Técnicos,. México D.F.. Wai-Fah Chen y Lian Duan, (2003), “Bridge Engineering, Sismic Design”, Bridge Engineering Handbook, CRC Press LLC, Principles and applications in Engineering, USA, 465 pp.

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