REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL DE PUENTES FERROVIARIOS METÁLICOS

Martín Eduardo Polimeni

Ingeniero Civil. Ciudad de Buenos Aires - Argentina.

Miembro de la Comisión Permanente de Estructuras de Acero del CIRSOC Miembro de la Comisión Redactora del Reglamento CIRSOC 402

Docente de la asignatura Cimentaciones de la FIUBA. Presidente de EEPPSA Consultora de Ingeniería

eeppsa@arnet.com.ar Resumen del Trabajo

Los puentes ferroviarios metálicos de alta vida útil pasada, muy posiblemente, se encuentren caducos respecto a la normativa internacional vigente. El fenómeno de fatiga, generado por las considerables cargas cíclicas actuantes, es el principal responsable de fallos y colapsos de este tipo de puentes en el mundo. El reglamento vigente en el país no contempla, correctamente, el análisis a fatiga de estas estructuras restringiéndose, únicamente, al análisis de la relación de tensiones R e incrementando las tensiones actuantes por un factor γ, sin tener en cuenta además, detalles constructivos que disminuyen la resistencia a fatiga en forma contundente, como lo son las uniones roblonadas. Por tal motivo se considera imprescindible la adecuación urgente de la normativa argentina para el diseño y rehabilitación de puentes ferroviarios metálicos teniendo en cuenta la normativa internacional vigente. En el presente artículo se demuestran las causas de las deficiencias de las prescripciones de la normativa argentina y se realiza un análisis comparativo, respecto de este fenómeno, entre las normas argentina y americana (AREMA). Adicionalmente se considera imprescindible la aplicación de la fractomecánica para la correcta evaluación de la confiabilidad estructural actual y futura de los puentes ferroviarios metálicos, con el fin de rehabilitarlos de forma eficiente. Abstract Railway steel bridges with high past useful life, quite possibly, are obsolete with respect to current international standards. The fatigue phenomenon, generated by the considerable acting cyclic loads, is primarily responsible for failures and breakdowns of such bridges in the world. The current regulations in the country does not contemplate, properly, the fatigue analysis of these structures being restricted only to the analysis of the stress ratio R and increasing the acting tensions for γ factor, regardless of further constructive details that decrease the fatigue strength as strong, as are the riveted joints. For this reason it is considered essential the urgent adaptation of argentineans standards for the design and rehabilitation of metal railway bridges considering the current international standards. In this article demonstrate the causes of the shortcomings of the requirements of argentineans standards and a comparative analysis on this phenomenon, between argentinean and american standards (AREMA) is performed. Additionally it is considered essential the application of the fracture mechanics for proper assessment of the current and future structural reliability of metal railway bridges, in order to rehabilitate them efficiently.

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• INTRODUCCIÓN. Los puentes ferroviarios metálicos se encuentran sometidos a cargas cíclicas, las cuales generan altos rangos de tensiones (relación cargas vivas/cargas muertas) sobre sus elementos estructurales. Estos elementos, fundamentalmente los traccionados, están expuestos a la disminución de su capacidad portante inicial por la disminución de su resistencia a fatiga. Para dar un ejemplo concreto de lo anteriormente dicho puede indicarse la diferencia entre la tensión admisible para una "única" carga (resistencia inicial) respecto del rango admisible para elementos estructurales sometidos a mas de dos millones de ciclos. En el primer caso, para aceros de bajo contenido de carbono y tensiones de fluencia del orden de los 240 MPa, la tensión admisible para cargas estáticas es 150 MPa mientras que para una alta cantidad de ciclos, el rango de tensiones admisible, por ejemplo para uniones roblonadas (típico detalle constructivo de este tipo de estructuras) es de 48 MPa (del orden de tres veces menor). Esta situación y de acuerdo al abordaje de la normativa vigente sobre este tema en la época de construcción de la mayoría de los puentes existentes en la red argentina, la cual contemplaba este fenómeno en forma deficiente, y al hecho de que el reglamento argentino vigente en la actualidad sigue los lineamientos de las normas de antaño, (no fue actualizado a las prescripciones de la normativa internacional actualmente vigente), conlleva a que estas estructuras posean una confiabilidad estructural actual desconocida. Por tal motivo se considera necesario la actualización de la norma argentina a este respecto y, además, generar un sistema de inspección, diagnóstico y rehabilitación de los puentes metálicos existentes, incluido su análisis a fatiga y fractomecánico, con el fin de conocer su confiabilidad estructural actual y rehabilitarlos para cumplir una vida útil de servicio futura aceptable que haga innecesario su costoso y complicado remplazo.

• BREVES CONSIDERACIONES SOBRE LA MECÁNICA DE FRACTURA. En forma simplificada se podría definir a la mecánica de fractura como la disciplina que estudia la forma o mecánica en que una pieza de un material determinado se fractura en dos partes por el avance de una fisura. Las preguntas fundamental a responder mediante la fractomecánica para la rehabilitación y puesta en valor de puentes ferroviarios metálicos existentes son:

• Cuál es la resistencia residual de un elemento estructural en función de la dimensión de una fisura?

• ¿Cuál es la dimensión de fisura que puede ser tolerada por un elemento estructural para una carga de servicio esperada?, esto es ¿cuál es la dimensión crítica de la fisura?

• ¿Cuál es el lapso para que una fisura crezca desde una dimensión inicial hasta la crítica?

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o MECÁNICA DE FRACTURA ELÁSTICA LINEAL (MFEL). • CRITERIO DE IRWIN.

Es el criterio que, actualmente, es de aceptación general para la Mecánica de Fractura. Conceptualmente no difiere del de Griffith (considerado como creador de esta disciplina), solo que agrega el concepto de fuerza impulsora:

E/KG 2= K: factor de intensidad de tensiones

Supone a toda el área elástica por fuera del área plastificada que rodea la punta de la fisura actúa como una energía potencial elástica que produce el incremento de la longitud de la fisura, disminuyendo, a medida que esta última aumenta.

• Tensión crítica: aπGEσC ⋅

⋅= a: dimensión de la fisura

La conclusión que puede obtenerse de la evaluación de los criterios fractomecánicos, es que la tensión crítica (de fractura) es función de un largo determinado de fisura "ac" (que depende de la tenacidad del material) y por ende, hay longitudes menores de fisuras que pueden existir sin las fractura del material, o sea:

σ = f(a) !!!

Esto lleva a poder establecer un nivel de aceptación de defectos en estructuras, hecho imposible según la resistencia de materiales clásica.

o FACTOR DE INTENSIDAD DE TENSIONES Y TENACIDAD A FRACTURA. El factor de intensidad de tensiones K describe el estado tensional del cuerpo en la punta de la fisura.

• Factor de intensidad de tensiones: aπσGEK ⋅⋅=⋅=

La tenacidad de fractura Kc es un parámetro del material, el cual se obtiene mediante ensayos (análogo a la tensión de fluencia). Para materiales frágiles puede considerase como un parámetro único de despreciable dependencia de la longitud de la fisura.

o MECÁNICA DE FRACTURA ELASTOPLÁSTICA (MFEP). Para materiales dúctiles, como es el caso de los aceros con los que están ejecutados los puentes ferroviarios existentes, la tenacidad a fractura es

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variable con la incremento de la longitud de la fisura y, por ende, con el incremento de la acción exterior. Por tal razón, para el análisis de un elemento fisurado de material dúctil se compara a la curva de resistencia al avance R(a) (tenacidad) con la curva de crecimiento de la fisura J(σ,a). Cuando se realiza un análisis fractomecánico debe cumplirse que:

• Para MFEL (LEFM): γ≤

KcK

• Para MFEP (NLFM): a),J()a(Rσ≥

γ

o FACTORES QUE AFECTAN A LA TENACIDAD A FRACTURA. Distintos factores afectan a la tenacidad a fractura de un elemento estructural, dentro de los cuales los principales son: Espesor de la pieza. Temperatura. Velocidad de aplicación de la carga. Corrosión.

Figura 1: Fisura en entalla generada por corrosión.

• FATIGA.

El fenómeno de fatiga es un proceso de disminución de la resistencia del acero sometido a cargas cíclicas, fundamentalmente originado por el avance

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de fisuras preexistentes iniciadas en los procesos de elaboración del acero y/o de la estructura (fuente principal). Es particularmente riesgoso dado que es posible que no se evidencie en forma explícita (como ocurre con la pérdida de masa por corrosión). El enfoque fractomecánico del fenómeno de fatiga, especialmente utilizado para el análisis a fatiga de estructuras existentes en servicio, fue propuesto por el Ing. Paris, quien propuso una relación entre la variación de la longitud de una fisura con el paso de los ciclos y el rango de factores de intensidad de tensiones actuante. De esta forma, es posible conocer la cantidad de ciclos necesarios para que una fisura de longitud inicial a0 alcance su valor crítico ac para un dado material y rango de tensiones. Velocidad de crecimiento de una fisura - Ley de Paris:

mIKC

dNda

∆⋅= C y m: propiedades del material.

∆K rango del factor de intensidad de tensiones.

Figura 2: Curva de crecimiento de fisuras vs. de ciclos de carga

En la práctica, las normas de diseño de puentes, por ejemplo la AREMA, presentan distintos detalles constructivos típicos, lo cuales clasifica según su susceptibilidad a los efectos de las cargas cíclicas e indica la forma de obtener el rango de tensiones admisibles, teniendo en cuenta la cantidad de ciclos prevista durante la vida útil de la estructura.

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Figura 3. Detalles constructivos típicos para análisis de fatiga.

Figura 4: Resistencia a fatiga de uniones roblonadas, características de

puentes ferroviarios metálicos de largo servicio.

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Figura 5: Fisuras en uniones roblonadas.

• MÉTODO γ. Abordaje, del fenómeno de fatiga, del reglamento argentino de puentes ferroviarios metálicos vigente en la actualidad. • Se obtiene la tensión ideal: σ = γ Fmax / Sa (o σ = γ Mmax/W) • Se obtienen los valores máximo y mínimo de un elemento. • Se obtiene el factor R = Fmax / Fmin.

• Solicitación oscilante: signo Fmax = signo Fmin • Solicitación alternativa: signo Fmax ≠ signo Fmin

• Debe observase que γ no depende del tipo de detalle constructivo y, además, es mayor a 1.0 únicamente para solicitaciones alternativas.

Figura 6: Tabla de valor de γ en función la relación R y tipo de acero.

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Este abordaje no contempla los detalles constructivos. Es un abordaje obsoleto, readecuado por la normativa internacional hace varias décadas.

• Abordaje, del fenómeno de fatiga, del reglamento americano AREMA de puentes ferroviarios metálicos vigente en la actualidad. El reglamento americano vigente en la actualidad, modificó el abordaje del fenómeno de fatiga en ediciones posteriores al año 1969, debido a la importante cantidad de fallos detectados en estructuras existentes. A partir de dicha edición, el diseño estructural de puentes metálicos ferroviarios se ejecuta mediante una análisis estático con las cargas indicadas en el reglamento según la cantidad de toneladas a trasladar por año (p.ej. COOPER E80 - 36 t por eje) y un análisis a fatiga, teniendo en cuenta la cantidad de ciclos futuros a sufrir por la estructura durante su vida útil de servicio y teniendo en cuenta cada tipo de detalle constructivo a utilizar (similar al abordaje que da la normativa AASHTO para el diseño de puentes viales). Esta metodología requiere:

• Establecer la carga estática máxima de servicio (por el operador). • Establecer una vida útil de servicio (en general, 80 años). • Establecer un histograma de cargas (cantidad de pasos diarios y, en lo

posible, estimar el porcentaje de pasos con cargas máximas). • Determinar la cantidad de ciclos equivalentes constantes. • Determinar el rango de tensiones admisible para cada detalle

estructural existente en el diseño de la estructura.

• Abordaje fractomecánico del fenómeno de fatiga para estructuras existentes a rehabilitar.

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Figura 7: Fisuras en uniones roblonadas.

Esta metodología requiere:

• Establecer la carga estática máxima de servicio (por el operador). • Establecer una vida útil de servicio futura (no menor a 30 años). • Establecer un histograma de cargas pasados y futuros (cantidad de

pasos diarios y, en lo posible, estimar el porcentaje de pasos con cargas máximas).

• Determinar la cantidad de ciclos equivalentes constantes pasados y futuros.

• Inspeccionar a la estructura con el fin de detectar posibles anomalías (fundamentalmente fisuras y procesos corrosivos).

• De no detectarse fisuras durante la inspección, establecer una longitud de fisura inicial cuya dimensión sea levemente menor a la que es posible de ser detectada mediante a los métodos de END utilizados y/o de acuerdo a la accesibilidad para la inspección de ciertos detalles constructivos.

• Determinar la longitud final de fisura para la cual el elemento estructural falla o la longitud de fisura crítica para el material de la estructura.

• Determinar la cantidad de ciclos, mediante la ley de Paris, para la cual la fisura de longitud inicial detectada o supuesta, alcanza el valor de longitud final de fisura que provoca el fallo.

• Determinar la cantidad de ciclos equivalentes constantes hasta la falla y de esta forma compararla con la cantidad de ciclos equivalentes constantes futuros prevista.

• En el caso de que la cantidad de ciclos hasta la falla sea mayor (con un razonable factor de seguridad (no menor a 2)) a la cantidad de ciclos que se generarán durante la vida útil futura prevista para cada elemento estructural, puede indicarse que la estructura es apta para cumplir con su función durante la vida útil futura sin refuerzo estructural y siempre teniendo en cuenta rutinas de inspección y mantenimiento periódicas. Caso contrario, deben reforzarse los elementos estructurales de tal forma que el elemento reforzado sea estructuralmente confiable hasta el final de la vida útil establecida.

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• Aceros "antiguos".

Debe prestársele especial atención a la necesidad, ineludible, del conocimiento de las características mecánicas, químicas y fractomecánicas de acero de cada estructura a rehabilitar. No es suficiente el conocimiento de su resistencia a tracción y del alargamiento a rotura. Debe conocerse su composición química (mas allá de los porcentajes de Fe y C) y su resiliencia. En la época en que se construyeron muchos de los puentes en servicio, era de habitual utilización en el mundo estos tipos de materiales, por lo que es posible que puedan encontrarse hierro pudelado o acero forjado en los elementos estructurales analizados, los cuales poseen impurezas internas (inclusiones) que generan una importante disminución de la tenacidad fractura y posibilidad de exfoliación.

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Figura 8: Aceros "antiguos". Composición química. Microestructuras.

• Anomalías usuales encontradas en inspecciones de puentes metálicos.

Existen anomalías de habitual hallazgo en inspecciones realizadas sobre estas estructuras. Son, entre otras:

• Deformaciones de alas de elementos estructuras debido a la presión ejercida por la herrumbre provocada por la corrosión.

• Aflojamiento, rotura o pérdida de roblones. • Roturas y/o deformaciones de elementos estructurales debido a

descarrilamiento de formaciones. • Roturas y/o deformaciones de elementos estructurales debido golpes de

vehículos circulando bajo los puentes.

Figura 9: Anomalías de habitual hallazgo en inspecciones.

Adicionalmente se suelen encontrar preocupantes reparaciones o refuerzos estructurales, los cuales no se ejecutaron teniendo en cuenta los importantes perjuicios generados a la estructura por sus pésimas calificaciones a fatiga o

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directamente, por la prohibición normativa de dichas metodologías de reparación. Entre otras:

• Uniones mediante platabandas soldadas con soldaduras transversales al eje del elemento estructural.

• Uniones de diagonales de arrastramiento con soldaduras transversales a cordones o alas traccionadas.

• Rellenos con material de aporte de agujeros de roblones faltantes.

Figura 10: Reparaciones y/o refuerzos ejecutados en forma inconveniente.

• Diagnóstico y necesidad refuerzo estructural.

Para conocer la necesidad de reforzar a la estructura de un puente existente deberá ejecutarse:

• Análisis estático mediante las cargas reglamentarias y/o las requeridas por el operador de la línea.

• Análisis dinámico (fatiga) mediante el histograma de cargas pasado y futuro previsto teniendo en cuenta, además, el estado de conservación actual.

• Análisis fractomecánico con el fin de estimar una vida útil remanente previo al refuerzo.

Resultados posibles:

A. Los análisis estático, dinámico y fractomecánico indican que la estructura es apta para cumplir servicio en forma segura dentro de la

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vida útil futura prevista → en este caso (improbable), la estructura es competente y solo requiere un sistema de inspección y mantenimiento preventivo y correctivo futuros.

B. El análisis estático confirma la aptitud del puente pero el análisis dinámico indica que la estructura se encuentra actualmente infradimensionada, o en un futuro menor a la vida útil remanente establecida → en este caso (altamente probable), el resultado del análisis fractomecánico indicará la necesidad o no de refuerzo.

C. Todos los análisis indican que el puente se encuentra actualmente infradimensionado, o en un futuro menor a la vida útil remanente esperada → en este caso (altamente probable), deberá reforzarse la estructura.

Alternativas de acción:

A. Disminuir la cantidad de ciclos futura (únicamente si en la actualidad no se encuentra la vida útil caduca): → Disminución de la prestación.

B. Disminuir el estado tensional a través de la disminución de la sobrecarga de uso: → en general, no viable, a contramano de los requerimientos de las Administraciones. Disminución de la prestación.

C. Disminuir el estado tensional a través de la disminución de la velocidad de circulación → efecto muy acotado, fuera de escala con la problemática existente. Disminuye la prestación.

D. Aumentar la sección y/o la inercia de los elementos traccionados infradimensionados → alternativa óptima debido a que:

• no requiere disminuir la sobrecarga de uso, incluso puede ser aumentada.

• no requiere medidas paliativas poco considerables como la reducción de la velocidad de circulación.

• incrementa la vida útil remanente muy considerablemente.

Formas de refuerzo:

• Cargas estáticas: aumentar la sección y/o la inercia de cada elemento y unión infradimensionados de tal forma que σ ≤ σadm.

• Cargas cíclicas: aumentar la sección y/o la inercia de cada elemento y unión infradimensionados (FCM) de tal forma que ∆σ ≤ ∆σadm.

• CONCLUSIONES. Debido a la cantidad de años de servicio prestados (en general, no menor

a 80) y por ende a la cantidad de ciclos de carga sufridos, los puentes ferroviarios metálicos de la red argentina en general, en su gran mayoría, se encuentran con su vida útil de servicio caduca.

Debe prestársele particular atención a puentes sin procesos corrosivos de importancia debido a que pueden pasar por estructuras competentes pero que, en realidad, ante un análisis estructural completo incluyendo el análisis de fatiga, se obtengan resultados que indiquen que la estructura analizada posee su vida útil caduca y deba ser rehabilitada.

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Es esencial comprender que estas estructuras deben ser rehabilitadas y que no pueden seguir prestando servicio sin conocer su confiabilidad estructural.

Debe tenerse en cuenta la enorme cantidad de colapsos de puentes que existieron en el mundo a lo largo de la historia debido a este fenómeno, la mayoría catastróficos y sin “indicios” evidentes previos.

Es fundamental que la normativa argentina vigente en la actualidad para el cálculo de puentes ferroviarios de acero sea adecuada, de forma urgente, a una normativa internacional de indiscutible prestigio.

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