REDUCCIÓN DE LA VULNERABILIDAD DE UN PUENTE CARRETERO ANTE LAS ACCIONES INDUCIDAS POR UN CICLÓN CATEGORÍA 5 RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCION


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1 REDUCCIÓN DE LA VULNERABILIDAD DE UN PUENTE CARRETERO ANTE LAS ACCIONES INDUCIDAS POR UN CICLÓN CATEGORÍA 5 Juan Carlos Romualdo Tello 1 y Neftalí Rodríguez Cuevas 2 RESUMEN Se muestra el intento realizado para conocer los efectos producidos sobre la estructura de un puente carretero, por los fenómenos asociados al paso de un ciclón categoría 5. Se resalta la importancia de la correcta estimación de dichos fenómenos, así como los procedimientos que permiten reducir la vulnerabilidad de su diseño, ante los peligros naturales existentes en la zona destinada a la construcción del puente, por el paso de ciclones intensos. ABSTRACT An attempt was carried out to understand the possible effects produced on a highway bridge, by the phenomena associated to the passage of a category 5 hurricane. An emphasis is given on the correct evaluation of those phenomena, and on the existing procedures known that can be used to reduce the bridge vulnerability to natural actions on a given location, when the bridge is affected by intense hurricane actions. INTRODUCCION La estimación de las pérdidas futuras ha sido objeto de interés para todos aquellos involucrados en la tarea de planeación urbana y desarrollo, así como los responsables de la administración pública en zonas de alta incidencia de desastres. No solo eso, sino que las organizaciones responsables de administrar instalaciones vulnerables a sufrir por los efectos de algún peligro definido, han tomado gran interés, de manera que puedan garantizar la viabilidad de cualquier obra de infraestructura. Es fundamental para estos procesos de planeación un adecuado entendimiento de que es lo que se debe esperar. Ello requiere ser cuantificado, aunque sea de forma cruda y aproximada, en términos del grado de riesgo a enfrentar; el tamaño del evento que pueda suscitarse y las consecuencias de la ocurrencia del fenómeno. Se resume en este escrito, el intento realizado para conocer en detalle, los efectos producidos sobre la estructura de un puente carretero, por los fenómenos asociados al paso de un ciclón categoría 5. Se resalta la importancia de la adecuada estimación de dichos fenómenos, que afecten la estabilidad y operación del puente, así como los procedimientos que permiten reducir la vulnerabilidad de su diseño, ante los peligros futuros existentes en la zona destinada a la construcción del puente, en la posición geográfica destinada para la estructura. FACTORES DE RIESGO DE UN HURACÁN Existen dos característica de los huracanes que son responsables por la mayor parte de los daños que provocan. 1) Viento La velocidad de los vientos de los huracanes puede llegar hasta los 250 km/h en la pared del huracán, y ráfagas por arriba de los 360km/hr. La escala Saffir- Simpson clasifica el tipo de huracán en función de la velocidad de sus vientos. 1 Becario en el Instituto de Ingeniería, UNAM 2 Profesor Emérito e Investigador en el Instituto de Ingeniería, UNAM. Ciudad Universitaria México, D.F. Teléfono: (55) ; Fax: (55) ; 1

2 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, CATEGORÍA Vientos en km/h uno dos tres cuatro cinco mayor de 250 Para establecer el posible efecto de los mismos sobre un lugar dado, deben considerarse elementos como a) Gradiente térmico. b) Condiciones locales de topografía. c) Topografía general de la zona. d) Las características de turbulencia. e) Localización geográfica del punto. f) El espesor de la capa turbulenta, definida por: 8ν δ = τ ρ Donde: ν Viscosidad del aire. ρ Masa específica. τ Cortante en la zona. Figura 1 Características del huracán La destrucción se genera por impacto directo del viento o por materiales que acarrea el aire, ya que las estructuras fijas son vulnerables a ellos. La mayor destrucción, se debe a objetos acarreados por los vientos cuya fuerza de impacto está directamente relacionada a su masa y el cuadrado de su velocidad. 2) Lluvia Es difícil predecir la magnitud de las lluvias que acompañan a los huracanes. Pueden ser muy intensos y durar varios días, o en tan solo horas precipitar cantidades equivalentes a la lluvia anual. Las variables principales en la incidencia de la lluvia son: la topografía local, la humedad y la velocidad de avance del huracán. Hay cuatro factores que determinan la cantidad de lluvia que caerá en un lugar por el paso de un huracán: - La cantidad de vapor de agua en el aire. - La velocidad con la que el aire caliente sube - La magnitud y la duración de la corriente de aire ascendente. Una lluvia fuerte provoca dos tipos de destrucción: el primero se relaciona con la infiltración del agua en los edificios, que causa daños estructurales. El segundo, provoca la inundación sobre tierra, que pone en riesgo todos los valles junto con sus estructuras e instalaciones. Los deslizamientos frecuentemente son originados por una fuerte precipitación. 2

3 ELEMENTOS ESTRUCTURALES CONSIDERADOS EN RIESGO ANTE LA PRESENCIA DEL HURACÁN a) Subestructura y canal Por efectos de socavación Durante la socavación, el material que constituye el fondo del canal de flujo de agua es erosionado por la corriente. Es un fenómeno que sucede en lugares donde se presenta cambio de dirección del flujo, alrededor de las pilas u otros objetos obstructores, dentro del cauce. La remoción del material, que sirve de apoyo de pilas u otras estructuras del puente, representa un peligro, que disminuye la funcionalidad de los apoyos y con ello se pone en riesgo a su estabilidad y la del puente como estructura. Conforme el material de fondo se remueve, se presentaran asentamientos, cuya magnitud dependerá de la cantidad de material desplazado. La socavación en la mayoría de las ocasiones, se genera por una o la combinación de las siguientes condiciones: 1- Pendiente, alineación natural del cauce o cambio de dirección. 2- Tipo y cantidad de material en transporte 3- Historia reciente y antigua de inundaciones 4- Acumulación de hielo, troncos u otros objetos 5- Construcción y/o cambio de flujo como consecuencia de la construcción 6- Geometría y alineación de pilas 7- Clasificación y estratificación de la base del canal de flujo. 8- Colocación o pérdida de protecciones en taludes 9- Cambios naturales o artificiales en el tipo de flujo y régimen de sedimentación. 10-Incrementos en el flujo de agua, velocidad y profundidad. 11-Avenidas extraordinarias Este fenómeno se relaciona directamente con la velocidad del flujo, y ocurre con mayor frecuencia durante fenómenos naturales de gran intensidad, como tormentas y huracanes, en los cuales, debido a la velocidad y la cantidad de agua, se presentan valores muy elevados de socavación. Por empuje hidráulico b) Superestructura Por efectos del viento Una de las consideraciones de diseño más importantes para puentes ante viento reside en el correcto entendimiento de la exposición del puente en el sitio, ya que se pueden generar cargas severas por la interacción con el viento. Existen tres efectos principales que produce el viento en puentes: Presión estática de viento Acciones dinámicas que producen oscilaciones Vibraciones aeroelásticas de diverso tipo Los factores principales que determinarán la respuesta ante solicitaciones eólicas serán: 1- La velocidad promedio del viento y su ángulo de incidencia 2- Condiciones topográficas del lugar 3- Condiciones de ráfaga en el lugar 4- La densidad del aire 5- El ancho del tablero y su sección transversal 6- La altura del puente y la forma de su sección transversal. 7- El arrastre, levantamiento y momento por unidad de longitud del puente, que produce el viento. 3

4 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, PELIGRO HIDROLÓGICO En el estudio hidrológico es fundamental realizar el cálculo de la magnitud de la descarga esperada por la avenida de diseño. La experiencia ha demostrado que la avenida de incipiente inundación de la estructura, generalmente produce los mayores esfuerzos en el puente. Sin embargo condiciones especiales como ángulo de ataque, presión del flujo, disminución de velocidad, o descargas resultantes de flujos altos que dañen los estribos, así como agrupaciones de objetos flotantes, pueden producir una condición más severa, y aumentar la socavación. Dentro del estudio hidrológico se debe analizar: la cuenca hidrográfica, las precipitaciones y finalmente la determinación del caudal de diseño y nivel de aguas máximas esperado en el sito del puente, correspondiente a dicho caudal Datos históricos de eventos ciclónicos en la zona de la estructura. Identificar el riesgo de la zona en la que se piensa construir un puente, es función de su localización geográfica, y es el primer paso necesario para conocer el nivel de medidas mitigantes que se deban tomar. Figura 2 Impacto de huracanes intensos en México Análisis de la cuenca hidrográfica La cuenca actúa básicamente como un colector natural, que drena el agua proveniente de la lluvia, en forma de escurrimiento. Las características que afectan la respuesta de la cuenca son: su área, tipo y uso de suelo, orientación, forma, pendiente, elevación y la red de drenaje. Pendiente Media 2000 Elevación (m) Distancia (m) Arroyo San José Norte Figura 3 Cuenca del arroyo San José Norte Figura 4 Pendiente del arroyo San José Norte Se deben establecer las características geomorfológicas de la cuenca mediante la interpretación de fotografías aéreas y planos topográficos, para predecir su comportamiento con el paso del tiempo. Así, al observar las siguientes fotografías tomadas con 13 años de diferencia, es posible reconocer los procesos de erosión en función del patrón de flujo del cauce, la etapa geológica en el curso del río y la capacidad para generar meandros o aumentar su sinuosidad. 4

5 Figura 6 Ortofoto digital, INEGI, 1993 Imagen Satelital, Google Earth, 2006 En el sitio destinado al puente se observa que se trata de un canal trenzado, con cauce indefinido, en su zona de curso inferior o viejo, cerca de su desembocadura, de manera que al alcanzar su nivel base o de equilibrio, tiende a ampliarse horizontalmente y provoca inundación en la zona. Figura 7 Características geomorfológicas observadas Análisis precipitaciones en el espacio y en el tiempo El diseño de la sección hidráulica del puente y el análisis de socavación se deben realizar para soportar la máxima crecida probable en un periodo de retorno establecido. La calidad del diseño radica en la calidad de la información disponible. El periodo de retorno se define como el número promedio de años para que la creciente se iguala o se excede al menos una vez y es función de la vida útil y del riesgo permisible de falla, que el diseñador este dispuesto a asumir. Un mapa de isoyetas muestra líneas, que unen puntos de igual precipitación. Puede elaborarse para representar precipitaciones cada 100 mm. Además, permite cuantificar un valor medio, como el indicado en la Figura 8 y representa gráficamente la distribución espacial de la precipitación para el período de retorno considerado. 5

6 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, Figura 8 Isoyetas para un período de retorno de 1,000 años Determinación del caudal de diseño El análisis hidrológico para el puente en estudio, se realizó mediante el programa HEC HMS del Hydrologic Enginnering Center, U.S. Army Corps of Engineers, elaborado para simular el proceso de precipitación y escorrentía de cuencas con drenaje dendrítico. Este programa simula eventos de crecientes aislados, asociados con un patrón de tormenta de diseño, definidos de acuerdo a datos climatológicos recopilados, para un período de retorno predefinido. En este estudio se consideró un período de retorno igual a 1,000 años. El volumen de escorrentía se obtiene está determinado por el método de infiltración que permite obtener la lluvia efectiva y genera el hidrograma de escorrentía. El valor máximo del hidrograma está en función del volumen y tránsito de escorrentía. Figura 9 Hidrograma final del arroyo San José ESTUDIOS GEOTÉCNICOS Para conocer la estratigrafía y las características geotécnicas del cauce se requiere considerar elementos de juicio que se obtienen a partir de la simple inspección durante los estudios preliminares, y la investigación exhaustiva de los estratos que se encuentran bajo pilas y estribos. Se consideraron las siguientes etapas: Reconocimiento de campo Exploración esquemática del sitio del ponteadero Realización de sondeos y perforaciones Ejecución de pruebas de laboratorio En el programa de exploración para el puente, se realizaron tres sondeos con penetración estándar, hasta 6.00 m de profundidad. Durante el avance del sondeo se tomaron las muestras necesarias de cada estrato del 6

7 subsuelo. Así mismo, en los sondeos representativos, se tomaron muestras cúbicas, para ensaye en laboratorio. Ensayes de laboratorio En las muestras de suelo alteradas obtenidas del sondeo, se realizaron los siguientes ensayes de laboratorio, 1. Humedad natural 2. Límites de consistencia 3. Granulometría 4. Compactación 5. Ensaye Triaxial La zona se clasificó como de origen sedimentario, producto de escurrimientos de las laderas localizadas al poniente del sitio destinado al puente y de partículas acarreadas de otros lugares por el viento. El suelo superficial, al momento del sondeo, se clasificó como Arena Mal Graduada (SP) y Arena Bien Graduada (SW), en estado seco y con un espesor de 5.00m, compacidad baja a media y humedad natural entre 2 y 5% SOCAVACIÓN Y ESTABILIDAD DEL CANAL Los ríos son entes dinámicos y las áreas de concentración de flujo generalmente propician la modificación de las laderas. Se deben revisar los posibles efectos de la erosión generalizada (socavación general) de un tramo de río, producto del incremento de la capacidad de transporte de la corriente durante el paso de una avenida prolongada, ya que pone en riesgo, y aun puede provocar el colapso, de estructuras fluviales, tales como puentes. La socavación local, producto de obstáculos dentro del cauce como pilas y estribos, es también de fundamental importancia y se debe sumar al efecto general. El movimiento lateral del cauce y sus consecuencias son también motivo de previsiones, ya que pueden provocar grandes daños. Es importante considerar que existen factores asociados a la geomorfología, característicos de laderas y lecho, que pueden producir cambios. Es difícil establecer cuando los cambios sucedan, ya que pueden ser graduales o el resultado de una gran inundación. La base del estudio de las características geomorfológicas parte de la observación en el campo, la interpretación de la geología local y la estratigrafía de la cuenca. Para el sitio en estudio, un canal trenzado tiene múltiples canales que continuamente cambian. En ellos, la socavación más profunda se genera cuando dos canales se juntan o donde el flujo se junta tras una barra. Simultáneamente al proceso de generación de meandros en el que se encuentre, con movimiento hacia la estructura del puente, existe la posibilidad de erosionar los estribos y socavar localmente las pilas, debido a los cambios de dirección del flujo. Socavación General El criterio propuesto por Lischtvan y Lebediev para la determinación de las profundidades de erosión general, establece que el mecanismo de erosión se detendrá cuando la velocidad del escurrimiento (V r ) se reduzca hasta que iguale a la velocidad mínima o de equilibrio (U e ). La hipótesis fundamental en la cual se funda el método, establece que la distribución transversal de caudales de una sección se mantiene invariable, durante todo el desarrollo del proceso erosivo. La velocidad media de la corriente en función de la profundidad, para cada punto de la sección, la considera esta teoría a partir de la ecuación de Manning, del siguiente modo: V ri h = α h 5 / 3 oi si Qd α = h (1) 5 / 3 B m e 7

8 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, Donde: V ri velocidad media de la corriente luego de la erosión en la vertical de la i ésima sección (m). h oi profundidad antes de la erosión en la vertical i de la i ésima sección (m). h si profundidad luego de la erosión en la vertical i de la sección (m) Qd caudal de diseño total (m 3 /s). h m profundidad media de la sección antes de la erosión (m). B e ancho superficial efectivo asociado con Qd (m). Si se considera que la ecuación 1 se obtiene de igualar el caudal de una sub-área perteneciente a una sección transversal, con ancho Bi, altura inicial H y final h, mediante el empleo de las ecuaciones de cantidad de movimiento y de continuidad, la velocidad V n se puede expresar de manera más general como: qi V ri = (2) hsi Donde: q i : caudal por unidad de ancho asociado con la franja de ancho δbi. Para evaluar la velocidad mínima o de equilibrio, esta teoría propone una expresión que depende fundamentalmente del diámetro de las partículas que componen el fondo, la que fue propuesta por Maza Álvarez mediante la siguiente expresión: U e = 4.7β * hsi * * d (3) 0.03d (Unidades métricas) Donde: d diámetro característico de las partículas que componen el fondo (m). β Coeficiente en función del periodo de retorno (T), asociado al caudal de diseño, cuya expresión fue expuesta para T entre 15 y 1,500 años como: β = ln (T) Debido a que el exponente que afecta a la profundidad h s en la ecuación de la velocidad de equilibrio experimenta variaciones poco significativas para el intervalo de tamaños de sedimentos de arenas finas y medias (0.19 mm<d<1 mm), se consideró un valor único e igual a Por lo tanto, la expresión de la velocidad de equilibrio a que se hace referencia será: U e = 4.7β * hsi * d (4) (Unidades métricas) Al igualar V ri de la ecuación 1 con la U e de la ecuación 4, se tiene h s como originalmente se presentó por el método: 5/ αhoi h = (5) s d (Unidades métricas) En la ecuación 5 se ha considerado β =1, el cual corresponde a una recurrencia de 115 años aproximadamente. Debe quedar claro que el coeficiente α representa la conductancia de la sección de escurrimiento, consecuencia de la pendiente de energía y coeficiente de rigurosidad asociados con la misma, que en la metodología se considera constante para toda la sección transversal. Por lo tanto, la expresión de V ri propuesta lleva implícita una distribución de caudales en la sección que da mas peso a las zonas inicialmente 5/3 mas profunda, puesto que directamente depende de h oi Esta situación se traduce en que al aplicar la ecuación 5, las secciones producto del cálculo, copian la forma de la sección original. Si en vez de considerar para V la ecuación 1, se reemplaza por la ecuación 2, se 8

9 obtiene la profundidad de equilibrio, como una función dependiente del caudal por unidad de ancho que actúa en la vertical, esto es: (Unidades métricas) 0.71 q i h = (6).7d Esta ultima expresión brinda la posibilidad de analizar aquellas situaciones en que se disponga de datos ciertos de las distribuciones del caudal, que sean variables para situaciones hidrológicas diferentes; la sección resultante será resultante de la configuración de corriente que se asocia con la crecida considerada. Socavación por el método general (Criterio de Lischtvan Lebediev) Profundidad: Caudal Q (m3/s) Beta Vel Tr alfa Tmed = Coef cont d medio Ho = Hs = Socavación = Estación = Figura 10 Notación esquemática para socavación general y local 9

10 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, Socavación local en pilas La socavación local en pilas es función del material del lecho del canal; de su configuración; de las características del flujo; de las propiedades del flujo; de la geometría de la pila y del tipo de cimentación, así como de las características granulares o no granulares del material; su naturaleza cohesiva o no cohesiva, que propicien o impidan la erosión. La geometría de las pilas, su tipo, forma geométrica y dimensiones son fundamentales. Los tipos de pilas incluyen columnas simples, grupos de pilas, rectangulares, con o sin reductores de fricción, con o sin protección a la cimentación. Son dimensiones importantes: el diámetro de pilas circulares, la separación entre un grupo de las mismas, el ancho y largo de pilas sólidas. Las formas incluyen circulares, cuadradas, con nariz, cilindros circulares, grupos de cilindros o rectangulares. Así mismo, las columnas pueden ser simples o complejas. Las simples son aquellas en un sólo eje expuestas directamente al flujo, mientras las complejas pueden tener protecciones, cimentaciones y las pilas mismas expuestas al flujo. La socavación local en pilas ha sido estudiada extensamente en el laboratorio; sin embargo, existe poca información de campo. Los estudios de laboratorio han sido realizados generalmente en pilas simples, pero también existen algunos en pilas complejas. Como resultado de estos estudios, existen numerosas ecuaciones para evaluar la socavación local en pilas. En general, las ecuaciones se refieren a socavación de lecho vivo, en ríos con lecho de arena sin cohesión. Para determinar la socavación en pilas, el US Department of Transportation, en su trabajo Evaluating Scour at Bridges, propone una ecuación basada en la ecuación de la Colorado State University (CSU). Ella es: 0.35 y K1K 2K 3K 4 Fri ys s Donde: y a Profundidad de socavación, m. y 1 Profundidad de flujo aguas arriba, m. K 1 Factor de corrección por forma de nariz K 2 Factor de corrección por ángulo de ataque del flujo. K 3 Factor de corrección por condiciones del lecho. K 4 Factor de corrección por aglutinación de material del lecho. a Ancho de pila, m. L Longitud de pila, m. F r1 Número de Froude aguas arriba de la pila = V 1 / (gy 1 ) 1/2 V 1 Velocidad promedio del flujo aguas arriba de la pila, m/s. g Aceleración de la gravedad (9.81 m/s) = (7) a El factor de corrección K 2, para el ángulo de ataque del flujo, θ, se calcula con la siguiente ecuación: K 2 = (cos θ + L sen θ) 0.65 Si L/a es mayor que 12, se utiliza 12 como máximo en la ecuación anterior Figura 7.1- Tipos de pilas más comunes 10

11 Factor de corrección K 1 por forma de nariz Forma de la nariz de la pila K 1 Nariz rectangular 1.1 Nariz circular 1.0 Cilindro circular 1.0 Grupo de cilindros 1.0 Nariz angulada 0.9 Factor de corrección K 2, para ángulo de ataque θ del flujo Ángulo L/a=4 L/a=8 L/a= L= longitud de pilas Incremento en profundidades de equilibrio de socavación, K 3, para condición de lecho Condición de lecho Altura de dunas m. K 3 Socavación de agua clara N/A 1.1 Lecho plano N/A 1.1 Pequeñas dunas 3>H< Dunas medianas 9>H<3 1.2 a 1.1 Dunas grandes 9<H 1.3 Finalmente si D 50 < 2 mm o D 95 < 20 mm, entonces K 4 =1 Estabilidad del canal Ante la ampliación del cauce del arroyo San José, y su evidente traslación provocada por eventos ciclónicos anteriores, y el régimen de flujo actual, se consideró fundamental plantear medidas de mitigación y protección para garantizar su estabilidad y buen funcionamiento. Así, con la finalidad de proteger el canal del potencial erosivo de altas velocidades y mantener estable el canal de flujo, se propone un recubrimiento de concreto de 20 cm. de espesor. Las características del mismo exigieron especial atención en los siguientes puntos: a) Preparación de la sub- base (materiales, compactación y pendiente terminada) b) Acero de refuerzo (materiales y colocación) c) Concreto (materiales, resistencia, mezclado, colocación, espesor y otras dimensiones) d) Juntas y aditamentos para evitar la filtración del agua. e) Sistema de sub drenaje (tuberías, tipo de válvulas, material de filtro y otras instalaciones) Con el fin de conocer los efectos de la presión hidrostática y la modificación del módulo de reacción del suelo sobre el recubrimiento y como consecuencia la estabilidad del canal, se realizó lo siguiente: 1-Se determinaron las dimensiones del canal que permitirían garantizar el flujo del caudal máximo esperado. 11

12 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, Se calcularon las presiones hidrostáticas sobre el fondo y los taludes del canal. 3- Se realizaron modelos de un tramo reducido de canal mediante el programa SAFE, donde la losa se sometió a las cargas calculadas y se modificó el módulo de reacción para conocer los cambios en cuantías y localización de armados. Figura 11 Modelo utilizado Para adecuar al modelo, se dividió la losa en mallas para la aplicación de cargas de superficie y módulo de reacción del suelo. En la zona inclinada se utilizaron para la malla, áreas rectangulares con dimensiones de 50 cm. por 1 metro, mientras que en el fondo se utilizaron áreas iguales de 5 m. por 1 m. Todos los elementos de la malla fueron cargados con presiones de superficie, atribuibles al agua que fueron cambiando su valor en la dirección vertical, hasta alcanzar un máximo de 7500 kg/m 2 en el fondo del canal. Simultáneamente se aplicó solo un módulo de reacción, sobre la cara inferior de todas las áreas de la malla. Figura 12 Variación de Momentos XX Fue posible establecer que la zona de cambio de pendiente en la esquina del canal, resultó la zona más crítica para el armado de la sección, así como la más vulnerable ante modificaciones en las condiciones de apoyo. Fue posible observar un crecimiento notable en la cantidad de acero, así como en el área a reforzar, al disminuir el módulo de reacción del suelo, lo que podrá acontecer en la zona de construcción, ante inundaciones como la esperada. CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES Modelaje de la estructura del puente Mediante herramientas de cálculo electrónico fue posible determinar la respuesta de la estructura del puente ante distintas solicitaciones. Se logró conocer ante dichas cargas, los desplazamientos mínimos y máximos, así como las fuerzas en los elementos que forman al puente. Los efectos por carga viva de vehículos se pudieron combinar con cargas estáticas y dinámicas, para obtener las envolventes de respuesta de la estructura, y conocer las condiciones más desfavorables de operación. 12

13 El puente se modeló mediante elementos viga, para representar a la superestructura, subestructura y otros componentes de interés se obtuvieron del análisis estructural, los desplazamientos, reacciones, fuerzas de resorte y fuerzas internas de elementos. Para considerar los efectos del ciclón, se estableció una cota de desplante 1 m. inferior a la cota de socavación esperada, en la condición de inundación de desbordamiento del canal que conduce la avenida. Se calcularon las fuerzas por empuje hidráulico de la misma y se combinaron con las presiones generadas sobre la estructura y la carga viva por vientos con una velocidad de 250 km/hr. Descripción del puente Tipo de superestructura: Tablero de concreto reforzado/presforzado, soportado por trabes cajón continuas. Claros: Cuatro claros de 45 m cada uno. Ancho: Dos cuerpos de 10.2 m. cada uno, con 20 cm de separación entre ellos. Parapetos: Diseño especial para mejorar comportamiento aerodinámico. Esviaje: Ninguno. Espaciamiento entre vigas: 10.2 m. de eje a eje. Tipo de vigas: Sección especial cajón con propiedades aerodinámicas mejoradas. Longitud transversal no apoyada de las vigas: 5.1 m. de eje de viga a extremo. Diafragmas intermedios: Dos diafragmas por claro, 1 a cada 15 metros, considerados inicialmente con una sección rectangular. Apoyos intermedios: Cabezal apoyado por dos columnas con 9.3 m. de separación. Altura total de 16 m. se consideró con su punto de apoyo 1 m. debajo de la profundidad de socavación. Columnas unidas por contratrabe y apoyadas en losa de cimentación sobre suelo arenoso. Figura 13 Configuración del puente Figura 14 Sección transversal vigas Figura 15 Sección de columna Se usaron a los vehículos necesarios para representar la carga viva, para cumplir con los requerimientos establecidos en normas mexicanas. Consideraciones de socavación en el diseño 1- Se calculó el caudal de diseño para las condiciones de mayor severidad, a partir del periodo de retorno adecuado para el tipo de estructura. 2- Se determinaron los perfiles de la sección transversal inicial del ponteadero y el nivel de aguas máximas extraordinarias correspondiente al caudal de diseño. 3- Se calculó la socavación total (local, general y otras aplicables), a partir de los datos hidrológicos, hidráulicos y geotécnicos correspondientes. 13

14 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, Se dibujó el perfil de socavación total en la sección transversal del sitio del ponteadero. 5- Se evaluó el tipo, tamaño y localización del puente. 6- Se completó el análisis para el diseño de la cimentación. Para ello: Se supuso que todo el material del lecho en el hueco de socavación sobre el perfil de socavación total se removería durante la avenida, dejando de proporcionar soporte lateral a la cimentación. La cota de desplante de la cimentación quedó por debajo del perfil de socavación. Se plantearon obras de protección del canal en función de sus características geomorfológicas y las posibles consecuencias de su inestabilidad fluvial. Presión de flujo longitudinal sobre las pilas La presión debida a un flujo de agua, que actúa en la dirección longitudinal de las subestructuras, se evalúo con la siguiente expresión tomada de las normas AASHTO. p=5, C D V 2 (8) donde: p presión del agua que fluye (MPa) C D coeficiente de arrastre para pilas como se especifica a continuación: V velocidad del agua de diseño para la inundación de diseño en estados límites de resistencia y servicio y para la inundación de control en el estado límite correspondiente a evento extremo (m/s) Figura 16 Fuerza por flujo longitudinal sobre las pilas Efectos del viento sobre el puente Se consideró a las variables fundamentales para obtener el valor básico de viento promedio, como son: la variación con la altura, la rugosidad del terreno y la turbulencia del viento, se consideraron los efectos en dirección x paralela al ancho del tablero, perpendicular al claro como los más desfavorables. Para calcular su magnitud se recurrió al capítulo de efectos eólicos sobre puentes del EUROCODE. Figura 17 Dirección de acciones del viento en la sección La fuerza del viento en dirección x, se obtuvo mediante la expresión: F w =1/2 ρ V 2 b C A ref,x (9) Vb velocidad básica del viento C factor de carga del viento C=c e c fx, donde ce es el factor de exposición y c f,x se definió anteriormente. A ref,x área de referencia dada. ρ densidad del aire. 14

15 Los coeficientes de fuerza se obtuvieron de la siguiente tabla, en función de las dimensiones de la sección transversal, y la presencia de una línea de camiones que afectara la trayectoria del viento, aumentara el área expuesta y como consecuencia la fuerza que produce el viento. Figura 18 Coeficientes de fuerza para puentes Simultáneamente, y debido a que la cara de sotavento del puente está inclinada con respecto a la vertical, el coeficiente de arrastre c fx, o se redujo por 0.5 % por cada grado de inclinación, respecto a la vertical, Figura 19 Reducción para puentes con cara en barlovento inclinada Las áreas de referencia A ref,x, calculadas al multiplicar la dimensión L descrita en la Figura 18, por la profundidad d, se modificaron en función de las características del parapeto y la barrera de seguridad, así como ante la presencia de la línea de camiones, que incrementa de manera limitada el área expuesta. Figura 20 Profundidad para utilizar en Área. Fuerzas del viento en dirección vertical La magnitud de la fuerza de levantamiento que actúa simultáneamente con la fuerza horizontal, se calculó a partir del coeficiente de fuerza vertical, descrito en la siguiente gráfica. 15

16 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver, Figura 21 Coeficiente de fuerza vertical CONCLUSIONES Figura 22 Fuerza por viento sobre la estructura Existen variables no estructurales, externas, naturales y altamente impredecibles, que son afectan la viabilidad de los puentes. El uso de herramientas que permiten cuantificar aproximadamente dichos fenómenos y sobre todo considerarlos en el diseño, permite valorar detalles que incrementan la estabilidad de la estructura. Los estudios que se mencionan cobran importancia en el país, sobre todo en las zonas del Caribe, el Golfo de México y el Océano Pacífico, ubicadas en regiones de alto riesgo, por la alta actividad de huracanes, fenómenos cuyas propiedades de altas velocidades de viento y precipitaciones pluviales extraordinarias, han infligido daños considerables, con costo en vidas humanas y en la economía nacional. Asimismo los fenómenos hidrometeorológicos, cuya frecuencia de aparición y magnitud, son difíciles de predecir, resultan ser responsables de importantes pérdidas de infraestructura, debido a socavación y otros problemas asociados a cantidades extraordinarias de agua, que son los factores principales de daño. En este trabajo, la aparición de cargas laterales, atribuibles a eventos en la naturaleza como el viento, la pérdida de sustentación de las estructuras debidas a fenómenos relacionados a la socavación y la estabilidad del cauce, se constituyeron como puntos fundamentales a considerar, tanto por su magnitud como su alta frecuencia con que se presentan, pueden conducir al colapso de puentes. Se requiere mantener un alto grado de detalle en los estudios que se desarrollan, sobre todo en las estructuras que se mencionan a continuación: a) Puentes localizados en zonas donde existe un historial de aparición de inundaciones previas. b) Puentes localizados en lechos de ríos sujetos a constante erosión, con: - Pilas y estribos diseñados sobre cimentaciones aisladas de pequeñas dimensiones. 16

17 - Superestructuras con un solo claro, o sistemas isostáticos de apoyo, que los hagan vulnerables a colapso ante el movimiento de su cimentación. - Puentes donde el agua y hielo no fluyan adecuadamente, por la modificación de la sección transversal. c) Puentes ubicados en ríos agresivos, con: - Modificación activa del lecho del río. - Movimiento lateral significativo o erosión de taludes. - Pendientes pronunciadas o altas velocidades. - Arena, grava u otros materiales producto de actividades mineras en la cercanía del puente. - Historia de daños por inundación en carreteras o puentes. d) Puentes localizados en zonas de influencia de ríos con características de flujo adversas: Cruces entre canales confluentes, especialmente donde ríos tributarios confluyen, cerca de los puentes, hacia canales mayores. - Cruces en curvas pronunciadas. - Localización de abanicos aluviales. Adicionalmente es necesario revisar el efecto de la avenida sobre el recubrimiento del canal, por la importancia del mismo, y las consecuencias asociadas a su falla. En el estudio que se presenta en este trabajo fue posible establecer que la zona de cambio de pendiente en la esquina del canal, se constituye como la zona más crítica para el armado de la sección, así como la más vulnerable ante modificaciones en las condiciones de apoyo. Sin embargo los efectos de la interacción suelo-estructura deben valorarse a detalle con las características presentes en el sitio, para así disminuir la vulnerabilidad de un puente ante ciclones intensos. REFERENCIAS American Association of State Highway and Transport Officials, (2004), AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Claes Dyrbye, Svend O. Hansen, (1997), Wind Loads on Structures, John Wiley and Sons European Standard, (1991-:2005), Eurocode 1: Actions on structures, Part 1 4: General actions Wind actions. Federal Highway Administration, (1991), Stream stability at highway structures. HEC-20. HIDROPROJECT, Proyecto Ejecutivo de obras de protección y/o encauzamiento de los Arroyo San José, El Saltito y Don Guillermo Hydrologic Engineering Center, (1995), Evaluating Scour at Bridges, HEC 18 Maza, J. A, (1987), Introduction to river engineering, Facultad de Ingeniería, UNAM, 332 p. Ramboll, (1998), Diseño de reparación y reforzamiento-socavación de puentes. Simiu, E., Scanlan, R. (1986), Wind Effects on Structures, An introduction to Wind Engineering, John Wiley and Sons US Department of Transportation, Evaluating Scour at Bridges, 4 th Edition 17

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