evaluacion de fatiga de puentes existentes en arco en acero que han sido rehabilitados y/o

173 Pages·2015·3.62 MB·Spanish

“EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN ARCO EN ACERO
QUE HAN SIDO REHABILITADOS Y/O PRESENTAN PROBLEMAS DE
CORROSION”

Darío Alfonso Molano Sánchez, IC

Trabajo presentado como requisito para optar al título de
Magister en Ingeniería Civil con Énfasis en Estructuras

Director:

Federico Alejandro Núñez Moreno, IC, MSE, Ph.D

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2014
Agradecimientos

Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera, por ser
mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena de aprendizajes,
experiencias y sobre todo felicidad.

Le doy gracias a mis padres por apoyarme en todo momento, por los valores que me han
inculcado, y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el
transcurso de mi vida. Sobre todo por ser un excelente ejemplo de vida a seguir, también a
mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad familiar.

Le agradezco la confianza, apoyo y dedicación de tiempo al ingeniero Federico Alejandro
Núñez Moreno, por guiarme en el desarrollo de esta tesis, haberme tenido la paciencia
necesaria, por motivarme a seguir adelante en los momentos de desesperación, por haber
compartido conmigo sus conocimientos y sobre todo por su amistad.

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“FATIGUE EVALUATION OF EXISTING BRIDGE STEEL ARC REHABILITADOS
THAT HAVE BEEN AND / OR PRESENT PROBLEMS OF CORROSION”
Abstract
Currently in Colombia there is no fatigue standard for Steel bridges although the appearance
of fatigue and corrosion in some bridges, which makes a necessity of new local investigation
that improves lack of knowledge to avoid partial or complete collapses. The main purpose of
this work is to present a methodology to evaluate fatigue in arch steel bridges, with elements
or connections that present corrosion. Also, some assumed scenarios of bridge conditions in
several projects, are presented and made pass through the methodology to find a set of
activities that will ultimately end up in the determination of the remanent fatigue life. This
methodology assumes joint fatigue and corrosion damage affecting main elements of the
bridge. This will help in a decision making process of prioritization, that might suggest
bridge retrofitting or bridge posting for repairs.

Keywords:

Fatigue, stress, fracture, crack, corrosion, average daily traffic, finite element software,
remaining life.

“EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN ARCO EN ACERO
QUE HAN SIDO REHABILITADOS Y/O PRESENTAN PROBLEMAS DE
CORROSION”
Resumen
Actualmente en Colombia no existe una norma para la revisión de fatiga de puentes de acero
aunque se han encontrado fisuras de fatiga acompañadas con corrosión en algunos puentes,
por lo que es necesario una nueva investigación local que mejore la falta de conocimiento
para evitar colapsos parciales o totales. El objetivo principal de este trabajo es presentar
una metodología para evaluar la fatiga en los puentes de acero en arco, con elementos o
conexiones que presentan síntomas de corrosión. Además, se presentan algunos de los
escenarios supuestos de condiciones de los puentes en varios proyectos y se hicieron pasar
a través de la metodología bajo un conjunto de actividades que en última instancia van a
terminar en la determinación de la vida remanente a fatiga. Esta metodología supone daños
por fatiga y corrosión que afectan a las articulaciones principales de los elementos del
puente. Esto ayudará en un proceso de toma de decisiones de priorización, que podría
sugerir reforzamiento del puente o determinar las reparaciones.
Palabras clave:
Fatiga, tensión, fractura, grieta, corrosión, tránsito promedio diario, software de elementos
finitos, vida remanente.
3
Tabla de contenido

INTRODUCCION ......................................................................................................... 14
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION ........................................................................ 15
OBJETIVOS .................................................................................................................. 33
MARCO TEORICO ....................................................................................................... 34
4.1. Teoría de la mecánica de la fractura ..................................................................... 37
4.1.1. Crecimiento de grieta. .................................................................................... 38
4.2. Corrosión con fatiga .............................................................................................. 39
METODOLOGIA EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN
ARCO .................................................................................................................................... 41
5.1. Tipología del puente y zonas de investigación preliminar para detectar fatiga y/o
corrosión ........................................................................................................................... 41
5.1.1. El Arco ............................................................................................................ 42
5.1.2. La viga de rigidez ........................................................................................... 42
5.1.3. Los pendolones o péndolas ............................................................................. 43
5.2. Cargas variables en el tiempo ............................................................................... 43
5.3. Patología Estructural............................................................................................. 43
5.3.1. Inspección visual por daños fatiga y/o corrosión .......................................... 43
5.3.1.1. Zonas de inspección visual de mayor importancia en puentes de arco .. 44
5.3.1.1.1. Conexiones remachadas ....................................................................... 44
5.3.1.1.2. Conexiones soldadas ............................................................................ 45
5.3.1.1.3. Conexiones con tornillos ...................................................................... 46
5.3.1.1.4. Láminas de unión o cartelas ................................................................. 47
5.3.1.1.5. Arco ...................................................................................................... 47
5.3.1.1.6. Pendolón ............................................................................................... 47
5.3.1.1.7. Viga de rigidez ...................................................................................... 47
5.3.1.1.8. Arriostramientos ................................................................................... 48
5.3.1.1.9. Apoyos .................................................................................................. 48
5.3.1.2. Verificación de espesores de soldadura filete ......................................... 49
5.3.2. Ensayos No Destructivos ................................................................................ 49
5.3.2.1. Medidor de espesor remanente de acero estructural .............................. 49
4
5.3.2.2. Medidor de espesor de pintura................................................................ 50
5.3.2.3. Verificación de torque en pernos o tornillos ........................................... 51
5.3.2.4. Verificación de remaches ........................................................................ 51
5.3.2.5. Pruebas de sanidad ................................................................................. 51
5.3.2.6. Tintas penetrantes ................................................................................... 52
5.3.2.7. Partículas magnéticas ............................................................................. 53
5.3.2.8. Ensayos de radiografía ........................................................................... 54
5.3.2.9. Ultrasonido.............................................................................................. 54
5.3.3. Ensayos Destructivos ...................................................................................... 55
5.3.3.1. Ensayo de fatiga ...................................................................................... 55
5.3.3.2. Ensayo de resistencia a la tensión .......................................................... 56
5.3.3.3. Ensayo de contenido químico .................................................................. 57
5.3.3.4. Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del
acero. 58
5.4. Información de primera categoría ......................................................................... 58
5.5. Información histórica y actual del tránsito ........................................................... 59
5.5.1. Transito promedio diario (TPD) .................................................................... 59
5.5.2. Histórico, tendencias y crecimiento ............................................................... 59
5.5.3. Aforos en campo ............................................................................................. 59
5.5.4. Sistemas de pesaje .......................................................................................... 60
5.6. Monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación . 60
5.7. Evaluación de la vida a fatiga ............................................................................... 61
5.8. Fatiga acompañada por corrosión ........................................................................ 66
Casos de aplicación de la metodología propuesta a escenarios probables de puentes
en arco. ................................................................................................................................. 68
6.1. Puente del Sisga (Cundinamarca). ........................................................................ 68
6.1.1. Patología estructural ...................................................................................... 69
6.1.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 69
6.1.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 69
6.1.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 69
6.1.2. Información de primera categoría ................................................................. 69
5
6.1.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 70
6.1.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 70
6.1.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 70
6.1.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 70
6.2. Puente de Istmina (Choco)..................................................................................... 70
6.2.1. Patología estructural ...................................................................................... 71
6.2.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 71
6.2.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 71
6.2.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 72
6.2.2. Información de primera categoría ................................................................. 72
6.2.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 72
6.2.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 72
6.2.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 72
6.2.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 72
6.3. Puente Forsmo sobre el rio Aangermann (Forsmo Järnvägsbron en Suecia). ..... 73
6.3.1. Patología estructural ...................................................................................... 73
6.3.1.1. Inspección Visual. ................................................................................... 73
6.3.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 74
6.3.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 74
6.3.2. Información de primera categoría ................................................................. 74
6.3.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 74
6.3.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 74
6.3.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 75
6.3.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 75
6.4. Puente sobre el rio Vindel hacia Holmforsen en Rödåsel Suecia. ........................ 75
6.4.1. Patología estructural ...................................................................................... 76
6.4.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 76
6.4.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 76
6.4.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 76
6.4.2. Información de primera categoría ................................................................. 76
6.4.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 77
6
6.4.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 77
6.4.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 77
6.4.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 77
6.5. Puente Quebrada Blanca (Cundinamarca). (Ver figura 6.5 y anexo No. 6). ........ 77
6.5.1. Patología estructural ...................................................................................... 78
6.5.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 78
6.5.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 78
6.5.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 78
6.5.2. Información de primera categoría ................................................................. 79
6.5.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 79
6.5.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 79
6.5.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 79
6.5.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 79
Validación Metodológica, Puente Quebrada Blanca ................................................... 80
7.1. Tipología del puente y zonas de investigación preliminar para detectar fatiga y/o
corrosión ........................................................................................................................... 81
7.2. Cargas variables en el tiempo ............................................................................... 81
7.3. Patología Estructural............................................................................................. 81
7.4. Información de primera categoría. ...................................................................... 106
7.4.1. Modelo estructural ....................................................................................... 106
7.5. Información histórica y actual del tránsito ......................................................... 117
7.6. Monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación .....
.............................................................................................................................. 121
7.6.1. Simulación numérica .................................................................................... 121
7.7. Determinación de la vida remanente de los diferentes elementos estructurales de
la súper-estructura del puente Quebrada Blanca. .......................................................... 126
7.7.1. Ejemplo de Cálculo de Rango de Esfuerzos ................................................. 126
7.7.2. Distribuciones de probabilidad de Rango de Esfuerzos .............................. 134
7.7.2.1. Distribución de Probabilidad Beta General para la Diagonal de entrada
............................................................................................................... 134
7.7.2.2. Distribución de Probabilidad Normal para el Cordón Inferior ........... 135
7.7.2.3. Distribución de Probabilidad Normal para la Viga Transversal ......... 136
7
7.7.2.4. Distribución de Probabilidad Triangular para el Arco ........................ 136
7.7.2.5. Distribución de Probabilidad Log Normal para el Cordón Superior .. 137
7.7.2.6. Distribución de Probabilidad Log Logística para el Pendolón ........... 138
7.7.3. Cantidad de ciclos necesaria para llevar cada elemento estructural a
mecanismos de fatiga. ................................................................................................. 139
7.7.4. Fatiga acompañada de corrosión................................................................. 140
7.8. Propiedades dinámicas del Puente de Quebrada Blanca .................................... 147
Análisis de resultados al aplicar la metodología propuesta del puente de Quebrada
Blanca. ................................................................................................................................ 155
Conclusiones ............................................................................................................... 157
Recomendaciones .................................................................................................... 160
Anexos ...................................................................................................................... 162
Referencias Bibliográficas ...................................................................................... 163

8
Tabla de Figuras
Figura 4.1 Diagrama S-nc o diagrama de Wöhler. Fuente Adaptada (Shigley, 2011). .................... 34
Figura 4.2 Modos de apertura de grieta: a) modo I, b) modo II y c) modo III. (Restrepo & others,
2013) ................................................................................................................................................ 37
Figura 4.3 Evolución de la longitud de grieta frente al número de ciclos Fuente Adaptada (Shigley,
2011). ............................................................................................................................................... 38
Figura 4.4 Ritmo de crecimiento de grieta frente a ΔK. Fuente Adaptada (Shigley, 2011). ............ 39
Figura 5.1 Tipología puente en arco. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012 ..................... 42
Figura 5.2 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero. ........... 45
Figura 5.3 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero. ........... 45
Figura 5.4 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero. ........... 46
Figura 5.5 Apoyo tipo rodillo de acero. ........................................................................................... 48
Figura 5.6 Apoyo tipo balancín de acero. ........................................................................................ 48
Figura 5.7 Apoyo fijo de acero......................................................................................................... 49
Figura 5.8 Apoyo tipo rodillo de acero. ........................................................................................... 49
Figura 5.9 Equipo para medir el espesor remanente de acero......................................................... 50
Figura 5.10 Equipo para medir el espesor remanente de acero....................................................... 50
Figura 5.11 Medidor de espesor de pintura en puente ..................................................................... 50
Figura 5.12 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. ...................................... 52
Figura 5.13 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. ...................................... 52
Figura 5.14 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. ...................................... 53
Figura 5.15 Ensayo tintas penetrantes. ........................................................................................... 53
Figura 5.16 b) Efecto de la densidad del material en la transmisión de radiación. ........................ 54
Figura 5.17 a) Efecto del espesor de la parte en la transmisión de radiación. ............................... 54
Figura 5.18 Equipo Quantum QBT+2 y falla en la soldadura para prueba de ultrasonido. ............ 55
Figura 5.19 Realización de la prueba de ultrasonido. Regional Huila. ........................................... 55
Figura 5.20 Probetas obtenidas del acero del puente de Cajamarca, maquinadas en los
laboratorios del Illinois Institute of Tecnology, Chicago, IL, USA................................................... 55
Figura 5.21 Maquina de fatiga tipo R.R. Moore del Illinois Institute of Tecnology, Chicago, IL,
USA. Donde se hicieron los ensayos del puente Cajamarca ............................................................ 55
Figura 5.22 .Zona de extracción de muestras del Puente Cajamarca, justo después del uso del
oxicorte. ........................................................................................................................................... 56
Figura 5.23 Zona reparada y pintada, para evitar la producción de discontinuidades ................... 56
Figura 5.24 Equipo para extracción de muestra de acero para ensayo de tensión y contenido
químico............................................................................................................................................. 57
Figura 5.25 Muestra de ensayo de contenido químico y tensión. ..................................................... 57
Figura 5.26 Valores de m y c para elementos de acero en puentes. ................................................. 62
Figura 5.27 Valores de m y c para elementos de acero en puentes. ................................................. 63
Figura 6.1 Puente del Sisga ............................................................................................................. 68
Figura 6.2 Puente de Istmina (Choco) ............................................................................................. 71
Figura 6.3 The Forsmo Bridge (Forsmo Järnvägsbron in Swedish) is a railway bridge over the
Aangermann River in Northern Sweden. Tomada de http://en.wikipedia.org .................................. 73
Figura 6.4 Figura Bridge over the Vindel river at Holmforsen in Rödåsel Sweden. ........................ 75
Figura 6.5 Puente Quebrada Blanca ............................................................................................... 78
9
Figura 7.1 Ubicación del puente Quebrada Blanca. Fuente propia ................................................ 80
Figura 7.2 Limpieza inicial de Soldadura de Filete al terminar el pendolón y el arco para END. .. 83
Figura 7.3 Aplicación de tintas penetrantes. .................................................................................... 83
Figura 7.4 Inspección y evaluación de soldadura. ........................................................................... 83
Figura 7.5 Limpieza del elemento del cordón inferior. .................................................................... 84
Figura 7.6 Verificación soldadura cara anterior. ............................................................................ 84
Figura 7.7 Falta de llenado con material de aporte en la soldadura. .............................................. 84
Figura 7.8 Verificación soldadura cara posterior............................................................................ 84
Figura 7.9 Soldadura en la cartela vertical con apariencia irregular. ............................................ 85
Figura 7.10 Soldadura con socavado excesivo. ............................................................................... 85
Figura 7.11 Garganta insuficiente 40 mm........................................................................................ 85
Figura 7.12 Discontinuidades en la soldadura de 15 mm. ............................................................... 85
Figura 7.13 Garganta insuficiente 15 mm........................................................................................ 86
Figura 7.14 Verificación de soldaduras. .......................................................................................... 86
Figura 7.15 Acumulación de agua y vegetación en las diagonales del cordón inferior por mal
estado de las juntas. ......................................................................................................................... 86
Figura 7.16 Acumulación de agua y vegetación en el cordón inferior por mal estado de las juntas.
......................................................................................................................................................... 87
Figura 7.17 Limpieza para posterior verificación de soldaduras .................................................... 87
Figura 7.18 Soldaduras de filete presentan buena apariencia y no se evidencia corrosión. ............ 87
Figura 7.19 Vigas transversales y longitudinales presentan corrosión. ........................................... 88
Figura 7.20 Corrosión producida por entrada permanente de aguas pluviales. .............................. 88
Figura 7.21 Corrosión en vigas transversales. ................................................................................ 88
Figura 7.22 Corrosión en vigas longitudinales. ............................................................................... 88
Figura 7.23 Diagonales del cordón inferior cuyas soldaduras presentaron garganta insuficiente. . 89
Figura 7.24 Diagonales del cordón cuyas soldaduras presentaron socavado excesivo y convexidad
excesiva. ........................................................................................................................................... 89
Figura 7.25 Soldaduras de filete que presentan socavado excesivo y convexidad excesiva. ........... 89
Figura 7.26 Soldaduras de filete vertical que muestran convexidad excesiva. ................................. 89
Figura 7.27 Verificación de soldaduras en el elemento de arco. ..................................................... 90
Figura 7.28 Verificación del refuerzo superior en el elemento de arco. .......................................... 90
Figura 7.29 Soldadura a tope en el refuerzo del arco presenta sanidad y buena apariencia. ......... 90
Figura 7.30 Verificación de soldaduras a tope en el elemento de arco. ........................................... 90
Figura 7.31 Refuerzo vertical del arco............................................................................................. 91
Figura 7.32 Soldadura de filete horizontal que presenta pierna y garganta insuficiente, porosidad y
socavado excesivo. ........................................................................................................................... 91
Figura 7.33 Uniones a tope vertical presentan garganta insuficiente y socavado excesivo. ............ 91
Figura 7.34 la soldadura de filete en las uniones verticales del refuerzo vertical del elemento de
arco, muestran garganta insuficiente, pierna insuficiente, socavado excesivo................................. 92
Figura 7.35 Limpieza inicial y secado de la soldadura. ................................................................... 92
Figura 7.36 Aplicación del revelador en la superficie de interés, no se presentan discontinuidades
mayores. ........................................................................................................................................... 92
Figura 7.37 Aplicación del Líquido Penetrante en la superficie de interés. .................................... 92
Figura 7.38 Limpieza del depósito de soldadura que presenta picado por corrosión para END. .... 93
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