EL COLAPSODEL PUENTE,SAMANAUN NUEVOENFOQUE

RFSUMEN

E13 de octubre de 1993, colapsó lasuperestructura del puente sobre el río Samaná enla carretera Bogotá - Medellín, en Colombia. LaFacultad de Minas de la Universidad Nacional, enMedellín, llevó a cabo un estudio que señalacomo causa probable del colapso, la falla de launión de la armadura inferior con un pendolón.Un nuevo estudio analítico realizado en 1996, porla Facultad de Ingeniería de la UniversidadNacional, en Bogotá, indica que el puente teníaproblemas de estabilidad general, los cuales sepresentan en este artículo, y se indican comoposible causa del colapso. Así mismo se muestranalgunas soluciones dadas al problema para unpuente gemelo.

Gustavo Cifuentes Cifuentes.Profesor Departamento de Ingenierla Civil,

Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

LINTRODUCCIÓNYDESCRIPCIÓNDELAESTRUCfURA

Sobre la carretera que conduce de Santa Fede Bogotá a Medellín en Colombia, se encontrabaubicado un puente sobre el río Samaná. Lasuperestructura de este puente colapsó el 3 deoctubre de 1993, cuando sobre él transitabansegún el informe presentado por la Facultad deMinas de la Universidad Nacional, dostractomulas y cuatro furgones cerca del apoyooriental.

La superestructura del puente estabaconformada por dos arcos biarticulados, con unaluz de 140 m, los cuales, a través de pendolones,

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soportaban una serie de armaduras trasversales,las cuales a su vez, soportaban tres vigaslongitudinales sobre las cuales se apoyaba eltablero. Todos los elementos anteriores fueronfabricados de acero, con excepción del tablero,construido de concreto reforzado, el cual estabasimplemente colocado sobre las vigaslongitudinales sin utilizar conectores de cortantede ningún tipo.

La sección trasversal del arco estabaformada por medio de láminas metálicas yconformaba un cajón. Las armaduras trasversales,apoyadas en los pendolones de la estructura,estaban constituidas por perfiles metálicos enforma de ángulos de alas iguales y, además, porperfiles metálicos en T. Los parales de lasarmaduras eran las almas de las vigaslongitudinales, las cuales eran perfiles en Lfabricados. Los pendolones, por su parte, erantubos de sección cuadrada.

El puente estaba diseñado para dos vías decirculación; la separación entre ejes de los dosarcos era de 9,60m. En las figuras 1 y 2 semuestran fotografías correspondientes a unpuente exactamente igual al descrito, fabricadocon los mismos planos y especificaciones, peroconstruido sobre el rio Opón.

Los planos de construcción fuerondibujados en 1980, y por tanto, la estructura fuediseñada para la carga correspondiente al camióno línea de carga para HS2044 de la AASHTO.

La superestructura del puente colapsó el 3de octubre de 1993. Las posibles causas delcolapso fueron estudiadas por la Facultad deMinas de la Universidad Nacional de Colombia,en Medellín, y el informe presentado en esaocasión señala como causa probable del colapsola falla de la unión de la armadura inferior con elpendolón (detalle que se muestra en la figura 3).

En enero de 1996, colapsó en Colombia laestructura de otro puente en arco, éste situado enel departamento de Santander sobre el ríoChicamocha. Las causas del colapso de estaestructura fueron (según el informe de laUniversidad Nacional al Instituto Nacional deVías) problemas de fatiga asociados a

concentración de esfuerzos en las uniones arco -pendolón. La preocupación general que causó elcolapso de este segundo puente hicieron que elInstituto Nacional de Vías solicitara a laUniversidad Nacional la revisión del estado delarte de las uniones entre los arcos y lospendolones. Este estudio fue llevado a cabodurante 1996 y en el cual, como parte de esteestudio, se revisó el diseño estructural delantiguo puente sobre el río Samaná y seobtuvieron las conclusiones que aquí sepresentan.

11.ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Un análisis estructural exitoso debe incluiruna concepción adecuada del modelo matemático,basada en el conocimiento del comportamientogeneral de la estructura para modelar, y estálimitado por las herramientas de análisis utilizadas.

Para analizar la superestructura del antiguopuente sobre el río Samaná se realizaron diversosmodelos de elementos finitos; la herramienta demodelación fue el programa de elementos finitosCosmos\M. Se llevaron a cabo análisis estáticoslineales, no lineales debido a grandesdesplazamientos y análisis de frecuencias depandeo lineal elástico. Se efectuaron, además,análisis estáticos sobre modelos de elementosfinitos detallados de las uniones arco - pendolón.

Los resultados contrastan bien con loobservado en general en las deflexiones en elpuente Opón, al tomar en éste medidas muybastas al paso de camiones. Infortunadamente ala fecha no se han podido comparar resultados delos modelos con valores de deformación ovibración medidos in situ.

A. Análisis general de la estructura

Para el análisis general estático, huboproblemas al modelar la totalidad de la estructura.Estos problemas fueron causados por la formamisma de la estructura, ya que las armadurasestán sostenidas por cada pendolón, y losparales de las armaduras son las vigaslongitudinales. Es imposible establecer qué zonade la viga longitudinal es la que actúa comomiembro de la armadura, y aunque las fuerzas

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internas se podrían determinar teniendo en cuentaque la armadura idealizada de esta forma esisostática, no queda claro, cuál es la interacciónde la armadura trasversal con las vigaslongitudinales. La importancia de conocer bien laforma en que se distribuye la carga en laestructura tiene influencia en los resultadosfinales, teniendo en cuenta grandesdesplazamientos en el arco.

Para poder trabajar adecuadamente elproblema se elaboró un modelo que considera lastres dimensiones de las vigas longitudinales; porello fue necesario utilizar elementos finitos tiposhell isoparamétricos, cuadrilaterales de cuatronudos con capacidad de simular elcomportamiento de placa y, además, esfuerzos demembrana.

Los elementos Shell se utilizaronsolamente para las vigas longitudinales y eltablero del puente; la mayoría de los miembrosestructurales se analizaron utilizando elementospara el análisis de pórticos espaciales,compatibles con los elementos shell. Con estetipo de elementos se analizaron los arcos, lasvigas de arriostramiento que los conectan y losmiembros de los cordones superior e inferior delas armaduras trasversales.

Miembros tales como las diagonales de lasarmaduras trasversales, los pendolones, elarriostramiento diagonal entre arcos y elarriostramiento diagonal inferior a nivel de lasvigas longitudinales fueron representadosmediante elementos tipo barra en el espacio, concapacidad de trasmitir carga axial únicamente y,por tanto, con extremos articulados.

Se estudiaron dos modelos diferentes conlos elementos anteriormente descritos. El primero,utilizado en la revisión del diseño y conformadopor los elementos anteriores, con un tablerorepresentado por elementos tipo Shell, con unarigidez muy baja para considerar el tablero sólocomo un elemento trasmisor de carga. El tablerodebe estar funcionando actualmente comoelemento transmisor de carga, sin prácticamentecontribuir a la rigidez de la estructura, ya que nohay conectores de cortante entre el tablero y lasvigas longitudinales. Para lograr la baja rigidez del

tablero se utilizó un módulo de elasticidad muybajo para el material que modelaba estoselementos.

El segundo modelo es idéntico al primero,con la única diferencia en la rigidez de loselementos shell que representan al tablero enconcreto de la estructura. En este segundomodelo se consideró que el tablero estabaconectado adecuadamente a las vigaslongitudinales y se utilizó el módulo de elasticidaddel concreto para los elementos que conforman eltablero del puente.

Las figuras 7 y 8 muestran dos aspectos delmodelo de elementos finitos utilizado para elanálisis lineal elástico de la estructura.

Los dos modelos consideran apoyos condesplazamiento impedido en las tres dimensionesdel espacio en los extremos de los dos arcos y enuno de los extremos de las vigas longitudinales.En el otro extremo de las vigas longitudinales serestringe únicamente el desplazamiento vertical yhorizontal perpendicular al eje de la vía.

La estructura se analizó para los dosmodelos con las cargas de diseño del camión HS20 - 44 y del camión de diseño C 40 - 95 delCódigo Colombiano de Diseño Sísmico dePuentes. Este último como comparaciónúnicamente, ya que el diseño se revisó con lascargas del código AASHTO.

B. Análisis de estabilidad

Al realizar el análisis general lineal elásticode la estructura, se detectaron esfuerzos altos enalgunos miembros, esos esfuerzos en algunoscasos eran cercanos al esfuerzo de fluencia delmaterial.

Estos esfuerzos altos, sin embargo, nobastaban para justificar el colapso de laestructura, ya que afectaban elementosimportantes pero redundantes al considerar laestructura como un cuerpo tridimensional.

Para tratar de entender el colapso se decidióestudiar la estabilidad general de los arcos,tratando el problema desde dos puntos de vista

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diferentes. El primero, a través de análisis linealesde frecuencias de pandeo; el segundo, a travésdel análisis no lineal debido a grandesdesplazamientos de la estructura.

En el análisis lineal de frecuencias depandeo se busca resolver el problema de valorespropios representado por la ecuación

([K] - A [K ]){u} = {O} (1)G

[K] es la matriz de rigidez del sistema;[KG], la matriz de rigidez geométrica asociadacon las fuerzas a lo largo de los ejes de loselementos; A, el valor de las frecuencias depandeo. El sistema de ecuaciones que representala ecuación (1) indica que la rigidez de loselementos se modifica debido a la presencia defuerzas axiales.

Las frecuencias de pandeo indican el factorpor el cual debe multiplicarse la carga paraobtener la carga crítica de pandeo de la estructura.

Con la técnica descrita se analizaron dosmodelos para obtener sus frecuencias de pandeo;el valor más pequeño se supone que es el valorcrítico, el cual corresponde al primer modo depandeo del sistema.

Para la elaboración de los modelos seutilizaron elementos para el análisis de pórticosespaciales, representando los arcos y las vigastrasversales entre ellos (figura 10).

En el arriostramiento diagonal entre arcos seconsideraron elementos tipo barra en el espaciocon fuerza axial únicamente.

La carga utilizada fue la fuerza axial en elarco en la condición de carga en la esa fuerza axialen el arco fue la máxima obtenida del análisisgeneral de la estructura.

Debido a que se encuentran modos depandeo, en los cuales ocurren desplazamientosverticales, esos desplazamientos fueronimpedidos en toda la longitud del arco, lo cualpermitirá sólo la existencia de desplazamientos

horizontales (para así obtener modos de pandeolateral de la estructura).

Los dos modelos difieren en que en elprimero de ellos se colocó una unión perfectaentre los arcos y la primera viga trasversal (cercade los apoyos), mientras que en el otro se supusoinexistente la viga.

En el caso del análisis no lineal debido agrandes desplazamientos se analizaron únicamentelos arcos del puente con el arriostramiento entreellos, utilizando un modelo idéntico al empleado enel análisis de frecuencias de pandeo, incluyendo laprimera viga trasversal. Sin embargo, para esteanálisis se trabajó con condiciones de bordediferentes, ya que se permitió el desplazamientovertical y la carga no se colocó a través de fuerzasaxiales equivalentes, sino que se supuso comocarga vertical en los puntos en que los arcosreciben a los pendolones. Las restricciones secolocaron en los apoyos de los arcos para impedirel desplazamiento en todas las direcciones (losgiros están permitidos en este modelo).

ID. DISCUSIÓN DEL ANÁLISIS

A. Análisis general de la estructura

Lo primero que llama la atención de losresultados del análisis estructural son lasdeformadas y las magnitudes de losdesplazamientos observados. Losdesplazamientos debidos a carga muerta son delorden de 64 cm en el centro del puente; lacontraflecha del puente según planos es deapenas 40,4 cm.

Los desplazamientos de la estructuradebido a carga viva tienen un máximo de 19 cmcuando el camión HS 20 - 44 se encuentra en elinicio de la estructura; simultáneamente, en elextremo opuesto, puede tenerse undesplazamiento vertical hacia arriba de 14,5 cm.Puesto que el camión se desplaza sobre laestructura, puede suponerse un desplazamientorelativo de 19 cm + 14,5 cm =33,5 cm. Estedesplazamiento, comparado con L / 800 = 15 cm,indica que la estructura tiene un problema derigidez insuficiente.

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Al suponer que el tablero está conectado alas vigas, se observó que el desplazamientorelativo pasa a ser de 10,5 cm + 8,0 cm = 18,5 cm, elcual se acerca bastante al desplazamientopermisible, aunque lo excede.

Los esfuerzos en los elementos del arco sonmenores que los de fluencia del material. Hay, sinembargo, esfuerzos altos en las diagonales(especialmente las exteriores), de las cerchastrasversales apoyadas en los pendolones. Estoselementos deben ser reforzados en puentes deeste tipo.

B. Análisis de estabilidad

Los valores obtenidos del análisis lineal depandeo de la estructura indican un primer modode pandeo con la forma que podría esperarse deun cuerpo que permite el giro en un extremo(extremo del arco) y en el otro extremo undesplazamiento (unión primer tramo del arco conla zona arriostrada del mismo).

Es importante anotar que el valor de lafrecuencia de pandeo depende de la presencia yrigidez que aporta la primera viga trasversal; estevalor es 0,84 cuando se considera que ésta noexiste y 1.8 cuando se supone una unión rígidaentre los extremos del arco y la viga trasversalinicial. Se debe tener en cuenta que la unión entrela viga y el arco se realiza soldando la viga al almadel arco, por lo cual en general se debería asumirel valor bajo para el diseño.

El valor de la frecuencia de pandeomultiplicado por la carga aplicada produce comoresultado la carga crítica de la estructura. Portanto, este análisis indica que con cargas deservicio, dependiendo del tipo de conexión de laviga trasversal a los arcos, se podría esperar unfactor de seguridad que quedaría entre 0,84 y 1,80,en cualquier caso insuficiente, teniendo en cuentala posibilidad de sobrecargas en la estructura.

Los valores anteriores señalan también queel factor de longitud efectiva para pandeo, en ladirección transversal al eje del puente, podríavariar en forma importante, pero, debido a laflexibilidad de la unión arco - viga trasversalinicial, debería tomarse como dos.

Para el centro del arco, el análisis no linealcon grandes desplazamientos arrojó undesplazamiento total de 6,1 cm para el 40% de lacarga. Para valores mayores de carga viva laestructura se muestra como inestable, en este tipode análisis. La figura 9muestra el comportamientode desplazamiento versus seudotiempo comoresultado del análisis no lineal por grandesdesplazamientos de los arcos del puente.

Conclusiones y recomendaciones

El análisis de la estructura del puenteSamaná antiguo indicó deficiencias de diseño. Lasdeficiencias se ven reflejadas en relaciones alturaespesor inadecuadas del arco, así como enelementos sobre esforzados, .tanto en el arcocomo en las armaduras trasversales. El análisis,además, revela deficiencias importantes en rigidezde los miembros que conforman la estructura,deficiencias que se reflejan en de flexionesexcesivas ante cargas vivas.

Los pendolones por su parte cumplen losesfuerzos permisibles (sus conexiones también),pero no todos cumplen la relación de esbeltezmáxima permitida.

Las grandes deflexiones por la carga vivaspueden limitarse al conectar el tablero a las vigaslongitudinales existentes a través de elementosmecánicos que actúen como conectores decortante.

Se encontró que los esfuerzos actuantes enalgunos elementos de la cercha (cordón superiory diagonales exterior e interior) son mayores quelos permisibles; especialmente en las diagonalesexteriores, donde los esfuerzos actuantes soncercanos al esfuerzo de fluencia del material.

Los análisis de estabilidad y análisis nolineal por grandes desplazamientos revelan que laestructura tiene una rigidez inadecuada, y que encondiciones en las cuales se presenten cargasimportantes hacia uno de los extremos del arco, sepodría esperar el colapso del mismo por pandeo oinestabilidad.

El informe de la Facultad de Minas de laUniversidad Nacional de Colombia del colapso del

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puente indica que en el momento del colapsosobre el puente existía la carga de dos tractomulasy cuatro furgones cerca del apoyo oriental.Suponiendo que los dos camiones tuvieran 50toneladas de peso total y los furgones veintetoneladas, se obtendria una carga cercana a las124 toneladas en la estructura, la cual genera elcolapso por inestabilidad lateral.

Es preocupante el problema de inestabilidadlateral, pues al parecer los diseños se realizaroncon factores de longitud efectiva inadecuadas,dadas las condiciones de apoyo de lasestructuras. Definitivamente, el factor de longitudefectiva depende en forma importante del tipo deconexión utilizado en la primera viga trasversal,por lo cual en futuros diseños se sugiere que estaconexión sea detallada cuidadosamente ydiseñada para resistir momento.

El problema de inestabilidad lateral ha sidoresuelto mediante el refuerzo del arco en puentesgemelos a Samaná, tal como se observa en lasfiguras 5 y 6. Otros elementos se han reforzado;por ejemplo, la figura 4 ilustra láminas de acerocolocadas que pueden ayudar a evitar problemasen las diagonales exteriores de las armadurastrasversales. (Ni la universidad, ni el autor delpresente documento han participado en el diseñode estos refuerzos, aunque la universidad sí hasugerido la necesidad de llevarlos a cabo).

BIBLIOGRAFíA

1. AASHTO, Bridge Design Specifications. 1992.

2. DEPARTAMENTO DE INGENIERíA CIVILUNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.Causas del colapso del puente Pescadero. Informepara el Instituto Nacional de Vías, Santa Fe deBogotá, 1996.

3. Estudio del estado del arte en lasuniones arco-pendolón y recomendaciones parala solución definitiva del problema. Informe parael Instituto Nacional de Vías, Santa Fe de Bogotá.diciembre de 1996.

4. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. CódigoColombiano de Diseño Sísmico de Puentes. 1995.

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Figura I.Puente del Opón (Gemelo del antiguopuente sobre el río Samaná},

Figura 2. Puente del Opón. Detalle del extremo del arco.

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Figura 3. Puente del Opón. Detalle de la unión de las armaduras transversales con los pendolones.

Figura 4. Puente del Opón. Refuerzo de la diagonal exterior de las armaduras transversales.

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Figura 5. Puente del Opón. Refuerzo en el arco (obsérvese el tramo inicial y compárese con la figura 1).

Figura 6. Detalle del refuerzo en el tramo inicial del arco.

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Figura7. Modelo del puente Samaná. Vista de frente.

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Figura 8. Detalle del modelo de elementos finitos para el análisis general de la estructura.

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Figura 9. Gráfica de pseudotiempo vs desplazamiento para el nudo en el vértice del arco.

Figura 10. Modelo utilizado para el análisis no lineal ypara los análisis de frecuencias de pandeo.

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