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UNIVERSIDAD CATÓLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
INGENIERÍA DE PUENTES
TEMA: FALLA DE PUENTES
INTEGRANTES:
Cumpa Condori, Rosario del Pilar Guevara Barrera, Luis Mendoza Castillo, María José Sánchez Santisteban, Mariella DOCENTE: Arana Vásquez, Víctor Ernesto Abril del 2020
INDICE
- INDICE
- I. INTRODUCCIÓN
- II. OBJETIVOS
- 2.1. OBJETIVO GENERAL:
- 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
- III. CASOS DE FALLAS EN PUENTES
- 3.1. CASO N°01: PUENTE MORANI
- 3.1.1. TIPO DE PUENTE
- 3.1.2. CAUSAS DE LA FALLA
- 3.1.3. DESCRIPCIÓN DE LA FALLA
- 3.1.4. POSIBLES SOLUCIONES PARA LA FALLA
- 3.2. CASO N°02: PUENTE TACOMA NARROWS
- 3.2.1. DISEÑO DEL PUENTE
- 3.2.2. CAUSAS DE LA FALLA
- 3.2.3. DESCRIPCIÓN DE LA FALLA
- 2.2.3.1 TEORÍAS DE FALLA EN EL PUENTE
- 2.2.3.1.1 FLEXIBILIDAD
- a. Turbulencia aleatoria
- b. Derramamiento de vórtice
- c. Inestabilidad aerodinámica
- 3.2.4. POSIBLES SOLUCIONES PARA LA FALLA
- 3.3. CASO N°03: PUENTE MINNESOTA
- 3.3.1. EVALUACIÓN E IDENTIFICACIÓN DEL TIPO
- 3.3.2. CAUSAS
- 3.3.3. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
- 3.4. CASO N°04: PUENTE LONCOMILLA EN CHILE
- 3.4.1. EVALUACIÓN E IDENTIFICACIÓN DEL TIPO DE FALLA
- 3.4.2. CAUSAS
- 3.4.3. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
- 3.5. CASO N°05: PUENTE SAMANÁ
- 3.5.1. EVALUACIÓN E IDENTIFICACIÓN DEL TIPO DE FALLA
- 3.5.2. CAUSAS
- 3.5.3. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
- CONCLUSIONES
- IV. RECOMENDACIONES
- V. BIBLIOGRAFÍA
- VI. ANEXOS
- Ilustración 1. Puente Morandi antes del accidente. TABLA DE ILUSTRACIONES
- Ilustración 2. Tramo del puente Morandi que se derrumbó: 220m.
- salina y por Ilustración 3. Estructura del puente Morandi evidencia una agresiva corrosión por la niebla
- frecuencia resonante. Ilustración 4. Corrosión y ataque químico en estructuras, oscilaciones por viento con caída por
- Ilustración 5. Puente Morandi después de la falla.
- Ilustración 6. Modo torsional del puente Tacoma Narrows.
- Ilustración 7. Falla del puente Tacoma Narrows.
- Ilustración 8. Falla del puente Tacoma Narrows.
- Ilustración 9.Vortex derramando alrededor de un cuerpo esférico.
- Ilustración 10. Posición de reposo inicial.................................................................................
- Ilustración 11. El puente gira en el sentido de las agujas del reloj...........................................
- Ilustración 12. El puente gira en sentido antihorario.
- Ilustración 13. Puente Loncomilla de Chile
- Ilustración 14. Colapso del puente Loncomilla de Chile
- Ilustración 15. Inspección del colapso del Puente Loncomilla de Chile.
- Ilustración 16. Puente Samaná
- Ilustración 17. El puente de reemplazo Tacoma Narrows, construido en 1950.
I. INTRODUCCIÓN
Un puente es una obra que se construye para salvar un obstáculo dando así continuidad a una vía. Suele sustentar un camino, una carretera o una vía férrea, pero también puede transportar tuberías y líneas de distribución de energía. Algunas fallas que pueden presentarse en los puentes durante su funcionamiento son: La infiltración y eflorescencias, las cuales ocurren frecuentemente en la superficie de este en forma continua o cuando se presentan proceso de humedecimiento; así como la corrosión de la armadura que causa la oxidación del acero de refuerzo en el concreto; y la carbonatación, el cual es un problema que afecta el funcionamiento estructural por pérdida de resistencia a cargas que debe resistir la armadura de acero. [1] Según un estudio realizado en Colombia, se determinó que la mayor causa de falla en puentes, fueron por efectos de socavación de la cimentación de los pilares y/o estribos, por lo cual se recomendó realizar una evaluación general del efecto de la socavación de las estructuras más importantes localizados en los ríos con mayores caudales y posibilidades de socavación. [2] Son diversos los casos de fallas y colapsos en puentes vehiculares y peatonales en muchos países del mundo, este problema debe ser objeto de reflexión y análisis por parte de la Ingeniería para determinar las respectivas causas y posibles soluciones. Los efectos que conlleva la caída de un puente son en gran magnitud desde el punto de vista económico, social y político. [2]
III. CASOS DE FALLAS EN PUENTES
3.1.CASO N°01: PUENTE MORANI
El puente, diseñado por el ingeniero italiano Riccardo Morandi, fue construido entre 1963 y 1967 por la Società Italiana per Condotte d'Acqua. Tenía una longitud de 1,18 kilómetros, una altura de 45 metros y tres pilares de hormigón que alcanzan los 90 metros. La longitud del vano principal era 210 metros. [3] Ilustración 1. Puente Morandi antes del accidente. Fuente: Ing. Manuel Luque Casanave. Ingenieros TOP. 3.1.1. TIPO DE PUENTE El puente Morandi es un tipo de puente atirantado. 3.1.2. CAUSAS DE LA FALLA Un factor crítico concurrente fue el temporal con presencia de vientos que generaron oscilaciones de pequeña amplitud y baja frecuencia, lamentablemente en un momento coincidente con la frecuencia natural de oscilación del vano de la estructura del puente, entrando con ello esa parte de la estructura en resonancia, causando la caída del puente, el que estaba ya debilitado por la corrosión salina y ácida de la estructura y por la cimentación sobrecargada por carga excesiva en el vano que se cayó (más de 30 unidades cayeron entre automóviles y camiones). [3]
Ilustración 2. Tramo del puente Morandi que se derrumbó: 220m. Fuente: Ing. Manuel Luque Casanave. Ingenieros TOP. Otro factor del deterioro del puente también puede haber sido causado por el tráfico pesado al que estaba sometido por ser parte de una vía principal, la A10, que conecta la Riviera italiana con el norte del país y con Francia. [3] Ilustración 3. Estructura del puente Morandi evidencia una agresiva corrosión por la niebla salina y por Fuente: Ing. Manuel Luque Casanave. Ingenieros TOP.
Ilustración 5. Puente Morandi después de la falla. Fuente: Ing. Manuel Luque Casanave. Ingenieros TOP. 3.1.4. POSIBLES SOLUCIONES PARA LA FALLA El Ing. Morandi hace cuatro décadas advirtió que la obra requería un mantenimiento constante para eliminar el óxido, dados los efectos de la corrosión del aire marino y la contaminación en el concreto, recomendando en ese entonces el uso de una resina epóxica para cubrir los refuerzos con materiales de muy alta resistencia química. Para evitar la corrosión galvánica en el concreto se deberían usar polímeros especiales dieléctricos impregnados en los poros del concreto o aplicados como capas sobre el concreto y sobre los fierros estructurales expuestos a ambiente salino y de gases ácidos, para evitar su corrosión al aislarlos del contacto con el oxígeno la humedad o los cloruros, o modificando su potencial electroquímico. Protección catódica del fierro embebido en el concreto, a realizarse durante el mantenimiento de las estructuras existentes. Se pueden aplicar dos tipos de protección catódica, la de corriente impresa y la de ánodos de sacrificio, esta última con resultados más favorables en reparaciones realizadas a las estructuras de concreto. Monitoreo de la corrosión se utilizan corrosómetros y dispositivos on-line en contacto con el concreto a través de la tecnología de "mirar hacia adentro" en las estructuras de concreto para controlar la corrosión del fierro estructural al interior de la masa de concreto (técnica de ultrasonido). Este permite obtener los “potenciales de corrosión” en los fierros de refuerzo
inmersos en concreto reforzado, los cuales se sometieron previamente al ataque de cloruros en un ambiente hostil. [3] 3.2.CASO N°02: PUENTE TACOMA NARROWS El Puente Tacoma Narrows original fue abierto al tráfico el 1 de julio de 1940. Estaba situado en el estado de Washington, cerca de Puget Sound. Fue el tercer puente colgante más largo de los Estados Unidos en ese momento, con una longitud de 5939 pies incluyendo aproximaciones. Sus dos torres de apoyo tenían 425 pies de altura. Las torres estaban a 2800 pies de distancia. 3.2.1. DISEÑO DEL PUENTE Los puentes colgantes eran más elegantes y económicos que los puentes ferroviarios. Por lo tanto, el diseño de la suspensión se convirtió en favorecido para el tráfico de automóviles. Desafortunadamente, los ingenieros no entendían completamente las fuerzas que actuaban sobre los puentes. Tampoco entendieron la respuesta del diseño del puente colgante a estas fuerzas mal entendidas. En el diseño del puente no se tomó en cuenta los efectos dinámicos del viento. Además, el Puente Tacoma Narrows fue construido con vigas de placas poco profundas en lugar de las cerchas de rigidez profunda de los puentes ferroviarios. Teniendo en cuenta que el viento podía pasar a través de cerchas. Las vigas de placas, por otro lado, representan un obstáculo para el viento. Como resultado de su diseño, el Puente Tacoma Narrows experimentó ondulaciones que fueron impulsadas por el viento. Así adquirió el apodo de "Galloping Gertie". [4]
La línea divisoria entre los dos tramos medio se llama la "línea nodal". Idealmente, no se produce ninguna rotación a lo largo de esta línea. El puente colapsó durante la exaltación de este modo torsional. En concreto, una longitud de 600 pies del tramo central se desató de los tirantes y cayó una distancia de 190 pies en las frías aguas de abajo [4]. Las fallas se pueden apreciar en las siguientes ilustraciones: Ilustración 7. Falla del puente Tacoma Narrows. Fuente: THE TACOMA NARROWS BRIDGE FAILURE, 2009.
Ilustración 8. Falla del puente Tacoma Narrows. Fuente: THE TACOMA NARROWS BRIDGE FAILURE, 2009. 2.2.3.1 TEORÍAS DE FALLA EN EL PUENTE 2.2.3.1.1 FLEXIBILIDAD La debilidad fundamental del Puente Tacoma Narrows fue su extrema flexibilidad, tanto verticalmente como en torsión. Esta debilidad se debió a la superficialidad de las vigas más rígidas y a la estrechez de la calzada, en relación con su longitud de tramo. [4] Sin embargo, los ingenieros todavía debaten la causa exacta de su colapso. Tres teorías son: a. Turbulencia aleatoria b. Derramamiento periódico de vórtice c. Inestabilidad aerodinámica (amortiguación negativa) a. Turbulencia aleatoria Una teoría temprana era que la presión del viento simplemente provocaba las frecuencias naturales del puente. Esta condición se llama "resonancia". El problema con esta teoría es que la resonancia es un fenómeno muy preciso, que requiere que la frecuencia de fuerza motriz esté en, o cerca, una de las frecuencias naturales del sistema con el fin de producir grandes
c. Inestabilidad aerodinámica La inestabilidad aerodinámica es una vibración provocada por sí mismo. En este caso, la fuerza alterna que sostiene el movimiento es creada o controlada por el propio movimiento. La fuerza alterna desaparece cuando el movimiento desaparece. Este fenómeno también se modela como vibración libre con amortiguación negativa. El aleteo de la lámina de aire y el galope de la línea de transmisión son ejemplos relacionados de esta inestabilidad. [4] El siguiente escenario muestra cómo la inestabilidad aerodinámica pudo haber causado el fallo del puente Tacoma Narrows. Supongamos que la dirección del viento no era perfectamente horizontal, tal vez golpeando el tramo del puente desde abajo, como se muestra en la ilustración 10 : Ilustración 10. Posición de reposo inicial. Fuente: THE TACOMA NARROWS BRIDGE FAILURE, 2009. Por lo tanto, el puente está inicialmente en un ángulo de ataque con respecto al viento. La elevación aerodinámica se genera porque la presión por debajo del intervalo es mayor que la presión anterior. Esta fuerza de elevación coloca efectivamente un par, o momento, en el puente. A continuación, el intervalo comienza a girar en el sentido de las agujas del reloj como se muestra en la ilustración 11. Es decir, el borde de barlovento gira hacia arriba mientras que el borde de sotavento gira hacia abajo. [4]
Ilustración 11. El puente gira en el sentido de las agujas del reloj. Fuente: THE TACOMA NARROWS BRIDGE FAILURE, 2009. Sin embargo, el puente tiene rigidez rotacional. Por lo tanto, la energía de tensión elástica se acumula a medida que gira. Con el tiempo, el momento de rigidez supera el momento de la fuerza de elevación. A continuación, el tramo invierte su curso, ahora girando en sentido contrario a las agujas del reloj Sin embargo, el impulso angular del intervalo no le permitirá simplemente volver a su posición de descanso inicial. La razón es que hay poco o ningún mecanismo de disipación de energía. Por lo tanto, el intervalo sobrepasa su posición inicial de descanso. De hecho, se excede en la medida en que el viento golpea ahora el lapso desde arriba como se muestra en la ilustración
- La fuerza de elevación del viento ahora coloca efectivamente un momento en sentido contrario a las agujas del reloj en el lapso. [4] Ilustración 12. El puente gira en sentido antihorario. Fuente: THE TACOMA NARROWS BRIDGE FAILURE, 2009.
se consideraron originalmente y solo se convirtieron en parte de los análisis forenses posteriores. [5] 3.3.CASO N°03: PUENTE MINNESOTA Fue un puente de arco metálico ubicado en la ciudad de Minneapolis, Minnesota en los Estados Unidos, permitía a la autopista Interestatal 35W cruzar sobre el río Misisipi. Tenía una longitud de 1907 pies (581,3 m), ancho de113,3 pies (34,5 m) , Gálibo de navegación de 64 pies (19, m) Altura: 115 pies (35,1 m), tenia una armadura de acero y contaba con 8 carriles. 3.3.1. EVALUACIÓN E IDENTIFICACIÓN DEL TIPO Las inspecciones anuales del colapso habían notado una variedad de grietas, corrosión y fatiga también hubo un error de diseño que involucro 16 placas separadas del tramo central fue lo que ocasiono que se llegara al esfuerzo y crítico. Los conectores de acero conocidas como placas de refuerzo eran simplemente demasiadas delgadas de ½’’ de espesor cuando deberían haber sido el doble de eso en lugar de ser de las partes más fuerte del puente, fueron de las más débiles, finalmente esto trajo como consecuencia una fractura critica del puente en el cual si un elemento falla el puente colapsa. FIGURA 13. Puente Minnesoota antes de la falla
3.3.2. CAUSAS
La estructura del puente I-35W tenía la forma de una armadura Warren con verticales. Una armadura Warren tiene diagonales de tensión y compresión alternas y tiene la ventaja de que los miembros de cuerda son continuos a través de dos paneles, con la misma fuerza transportada a través de ambos paneles. Este diseño simplifica, de alguna manera, los cálculos de diseño. Existían 112 nodos de conexión entre los dos tramos principales. Sin embargo, el puente I-35W fue diseñado y construido antes de que el agrietamiento por fatiga del metal en los puentes fuera un fenómeno bien entendido. FIGURA 15. Corrosión considerable en la ménsula de unión FIGURA 14. Diagonales en tensión y compresión del Puente Minnesota
