Identificación y análisis de patologías en puentes de carreteras

Identificacin y anlisis de patologas en puentes de carreterasurbanas y rurales

Nilson Tadeu Mascia*1, Artur Lenz Sartorti**

Identification and analysis of pathologies in bridges of urban andrural roads

* Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas-SP. BRAZIL** Centro Universitrio Adventista de So Paulo (UNASP). BRAZIL

Abstract

A concern with a great number of bridges with significant pathological problems was the motivating factor to carry out this research. Small and medium

size bridges have significant relevance for the economic and social development of the country, because they must ensure the transit of people, vehicles

with raw material and local produce. However, the precarious conditions of bridges in the urban and rural areas make the displacement difficult, causing

discomfort and unsafety for users. Furthermore, the transportation costs for producers and the maintenance for the local government continue to increase.

This article intends to show the conservation conditions of small and medium sized bridges in the urban and rural region of Campinas (SP)-Brazil. Thus, this

study is based on the analysis of four bridges of this region, in which is presented several examples in situ of the pathological manifestations in concrete,

steel and wood bridges. This article also focuses on the design of bridges and its relationship with the pathological condition establishing concepts that could

be applied to the corrective method and the pathology identification in concrete, steel and wood bridges. Finally, it aims to conclude that the most appropriate

way to avoid a pathological state is preventive maintenance.

Keywords: Bridges, pathology, concrete, steel, wood

Resumen

La preocupacin con un gran nmero de puentes con importantes problemas patolgicos fue el factor de motivacin para llevar a cabo esta investigacin.

Puentes de tamaos mediano y pequeo tienen relevancia significativa en el desarrollo econmico y social del pas, pues deben garantizar el trnsito de

personas, vehculos, materias primas y productos locales. Sin embargo, las precarias condiciones de los puentes en las zonas urbanas y rurales hacen difcil

el desplazamiento, causando incomodidad e inseguridad para los usuarios. Por otro lado, los costos de transporte para los productores y el mantenimiento

para los gobiernos localees continan aumentando. Este artculo tiene la intencin de evaluar las condiciones de conservacin de puentes pequeos y

medianos en la regin urbana y rural de Campinas (SP)-Brasil. As, este estudio se basa en el anlisis de cuatro puentes de esta regin, en los que se presentan

varios ejemplos sobre el terreno de las manifestaciones patolgicas en puentes de concreto, acero y madera. Este artculo tambin se centra en el diseo

de puentes y la relacin con su estado patolgico estableciendo conceptos que podran aplicarse al mtodo correctivo y a la identificacin de la patologa

en puentes de concreto, acero y madera. Por ltimo, el objetivo es concluir que la forma ms adecuada para evitar un estado patolgico es el mantenimiento

preventivo.

Palabras Clave: Puentes, patologa, concreto, acero, madera

Revista Ingeniera de Construccin Vol. 26 No1, Abril de 2011 www.ing.puc.cl/ric 05

1 Autor de correspondencia / Corresponding author:

E-mail: [email protected]

1. Introduccin

Fecha de recepcin: 04/ 12/ 2010Fecha de aceptacin: 06/ 03/ 2011PAG. 05 - 24

Patologas en puentes/Bridges pathologies

La importancia de los puentes en el desarrolloy en las relaciones humanas ha sido el objetivo principaldel impulso para el conocimiento en la construccin ymantencin de dichas estructuras.

06 Revista Ingeniera de Construccin Vol. 26 No1, Abril de 2011 www.ing.puc.cl/ric

Nilson Tadeu Mascia, Artur Lenz Sartorti

En general el propsito inicial de un puente essuperar un obstculo para luego continuar el camino. Sinembargo, tomando en cuenta la literatura tcnica sobreclasificaciones de puentes, es necesario considerar aspectosde diseo, tales como obstculos superados, vistas laterales,cantidad de vanos libres, rea de soporte que constituyeel material, naturaleza del trnsito, etc.

En general, se reconoce que tcnicamente existeun nfasis en los grandes puentes con sistemas estructuralescomplejos, sin considerar adecuadamente los puentespequeos y de tamao mediano. Sin embargo miles depequeos puentes conectan a un sinnmero de personas,ofrecindoles acceso a oportunidades de recursosnecesarios y a un flujo de produccin.

Desgraciadamente, es posible notar que la mayorade los puentes rurales y urbanos presentan condicionespatolgicas crticas, poniendo en riesgo la seguridad de lasociedad y produciendo prdidas econmicas.

Este artculo intenta colaborar con las tareas deidentificacin de patologas en puentes pequeos y detamao mediano. Para tal efecto, es necesario revisar losfactores relativos a los diseos de puentes y patologasen estructuras de madera, acero y concreto. El trabajo deidentificacin de la patologa de un puente es presentado,en conjunto, con un caso de estudio realizado en cuatropuentes de Campinas (SP) en el sudeste de Brasil.

2. Preparacin del diseo del puente

Los diseos de los puentes se caracterizan porla complejidad y la informacin que debiera ser sintetizadapor el diseador. Entonces, para diseos grandes yespeciales, se requiere un equipo multidisciplinario. Lacalidad de un puente puede ser medida en funcin desu resultado funcional, estructural, econmico y esttico.Por lo tanto, un profesional requiere de conocimientosde ingeniera en transporte, estructuras, geotcnica,topografa, hidrulica, arquitectura y tambin se requierenotros especialistas para cada proyecto.

Cuando se observa el aspecto estructural, esevidente que el adecuado diseo estructural de un puentees de vital importancia, puesto que interferir con sufactibilidad, costos, funcionalidad y esttica. Sin embargo,la eficiencia estructural no es siempre considerada comouna cualidad, sino como un pre-requisito para un correctodiseo, en comparacin con otras caractersticas talescomo funcionalidad, hidrulica, ingeniera geotcnica yesttica.

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Para el diseo de un puente-camino, los valoresresultados del diseo y los estados lmites mximos devida til debieran cumplir con la norma brasilera ABNT:NBR 8681 (2003), en la cual, por ejemplo, la clasificacines realizada para resultados excepcionales, variables ypermanentes. Segn la norma ABNT: NBR 7187 (2003)para el diseo y ejecucin de un Puente de hormignreforzado o pre-tensado, los resultados activos dentro delos puentes son presentados dentro de los siguientes gruposcon caractersticas relacionadas al diseo de los puentes.

Cuando los resultados activos son determinadosa travs de rutinas de clculos, se verifican las fuerzasinternas y secciones resistentes en el procedimiento dediseo, tomando en cuenta efectos locales y globales.

La determinacin de fuerzas internas en las estructurasde los puentes no es una tarea sencilla y requiere de laexperiencia y habilidad del ingeniero. El conocimiento de laesttica estructural, en conjunto con una serie de combinacionespermite al diseador determinar la distribucin de carga.

Liebenberg (1993) tambin afirma que, incluso conprocesadores de datos y actualizaciones computacionales,los procesos interactivos de anlisis estructural, tales comoel mtodo de elementos finitos permiten a los diseadoresde puentes llegar a aproximaciones ms realistas y a substituirclculos numricos complejos.

Hambly (1990) describi los clculos dedimensionamiento revisando el conjunto de ecuaciones deequilibrio, en el total de una estructura o en parte de ella,comprobando la resistencia de cada seccin y evaluandola condicin de vida til as como efectos secundarios.

Luego de dimensionar y detallar cada paso, la mayorpreocupacin debiera ser la seleccin del mtodo constructivo.

La construccin y ensamblaje de un puenterequiere de estudios acuciosos. En este estudio en particular,se debe considerar todas las medidas a ser tomadas, pasoa paso, para garantizar aspectos de seguridad en laconstruccin, segn indican Pinho y Bellei (2007). Otrainquietud es la ubicacin de recursos en el mtodoconstructivo, como destac Liebenberg (1993), debido aque el mtodo de construccin es un factor muy importanteen la seleccin de la alternativa estructural de un puente.Existen numerosos mtodos de construccin para sper-estructuras tales como el hormign vaciado en obra,elementos de hormign pre-fabricado y vanos sucesivos.

3. Patologas estructurales

De acuerdo con Ripper y Souza (1998) se hadesignado como Patologa Estructural, el campo de laIngeniera en Edificaciones que estudia los orgenes,



formas manifiestas, consecuencias y mecanismos deocurrencia de fallas y sistemas de daos en las estructuras.Tambin es parte de ella el rea de la Ingeniera que tratapatologas, incluyendo sistemas, mecanismos, causas yorgenes de fallas en obras civiles, es decir estudia laspartes que componen el diagnstico del problema.

Las patologas estructurales que se presentanen los puentes varan en intensidad e incidencia,provocando muchas veces altos gastos de reparacin,como describi Raina (2003). En un aspecto similar,siempre existirn consideraciones estticas y, a menudo,reducciones de la capacidad de resistencia, a vecesconduciendo a una parcial o total falla estructural.Dado el constante aumento de situaciones de patologaestructural, se ha investigado en esta rea, no slo enbusca de la sistematizacin patolgica, sino que tambinen el fomento de nuevos conceptos tecnolgicos. Algunosnuevos conceptos, no tan difundidos sino hasta hacepoco, son el rendimiento, durabilidad, entorno,conformidad, ciclo de vida til y mantencin.

Es posible definir el ciclo de vida material, comoel perodo durante el cual sus caractersticas qumicas yfsicas permanecen sobre los lmites mnimos especificadospara su funcin. El ciclo de vida, puede ser extendido enforma significativa con un adecuado programa demantencin estructural.

El estudio de la Patologa Estructural involucrael anlisis detallado del problema, describiendo suscausas, formas manifiestas, mecanismos de ocurrencia,mantencin estructural y profilaxis. Con una correctaestimacin del caso, es posible que el profesionalinvolucrado pueda definir una de las cuatro medidasteraputicas para un caso de condicin patolgica. SegnSartorti y Mascia (2010) el terapeuta es responsable porel estudio de las correcciones y soluciones al problema.Existe un consenso que para alcanzar una alternativacorrecta de aplicacin teraputica, se debe realizar unestudio detallado indicando el diagnostico real del origenpatolgico. En la Tabla 1 se muestran las terapias a seradoptadas, de acuerdo a cada caso. Maldonado et al.(2009) tambin establecieron que una evaluacin correctade los eventos que ocurren en una estructura, llevan auna intervencin que depender, entre otros factores, delmaterial disponible, costo de mano de obra y tiempolmite de ejecucin.



3.1 Patologas del hormign reforzado y pre-tensadoEl hormign, de la manera en que es empleado,

tiene una naturaleza inestable a travs del tiempo,presentando algunos cambios qumicos y fsicos en suscaractersticas, debido a las propiedades de suscomponentes y a sus reacciones ante factores ambientalespropios del lugar donde la estructura desarrolla su funcin.

Existen muchos factores que influyen en elcomportamiento final del hormign, los ms relevantespara la patologa en estudio, dentro de las estructuras deconcreto reforzado y pre-tensado, son: calidad del material,relacin agua/cemento (w/c), medio ambiente, medidasy la calidad del proceso de construccin de obra civil.

3.1.1 Causas de patologas en estructuras de hormignEn el anlisis de la estructura daada, el

reconocimiento de la causa patolgica es indispensablejunto con correcto tratamiento, necesario para garantizarla minimizacin de la patologa post-recuperacin. Lascausas del deterioro de las estructuras pueden ser divididasen dos grandes grupos, segn Ripper y Souza (1998).Estas pueden ser causas intrnsecas y extrnsecas.

Las causas intrnsecas son aquellas que residenen la estructura misma. Tienen su origen en loscomponentes y materiales de la estructura. Son causasprovocadas por errores humanos durante la ejecuciny/o fase de empleo, as como por agentes naturalesexternos como ataques qumicos e incluso accidentes.Mientras que las causas extrnsecas son aquellasindependientes de la estructura misma, ya sea por sucomposicin o fallas durante la ejecucin. Pueden serentendidas como factores que agreden las estructurasdesde fuera hacia adentro durante todo el proceso deconcepcin, ejecucin, o diseo de vida til.

Tabla 1. Tratamientos comunes para estructuras de concreto reforzadoTable 1. Common treatments for reinforced concrete structures

Tratamiento/Treatment

Recuperacin

Recovery

Restauracin

Restoration

Reforzamiento

Reinforcement

Limitacin de vida til

ServiceabilityLimitation

Demolicin

Demolition

Caracterstica/Characteristic

Se entiende como recuperacin la ejecucin de procedimientos necesarios para la recobrar la capacidad resistente y soporte de la estructura

As a recovery, it is understood as the necessary procedures for the bearing and strength capacity recovery of structure

Es una intervencin que slo restablece las condiciones estticas de la estructura

An intervention that only reestablishes the esthetical conditions of the structure

Corresponde a las actividades para aumentar la resistencia de la estructura o su capacidad de soporte

It is the promoted activities for the structure resistance increase or bearing capacity

Esta opcin debe ser adoptada cuando el tratamiento de recuperacin no es econmicamente viable

That option must be chosen when the recovering therapy is not economically viable

Es el tratamiento extremo, puede variar desde la demolicin parcial de la estructura hasta su completa demolicin

The extreme therapy can vary from a partial to a complete structure demolition



3.1.2 Formacin y mecanismos manifiestos de laspatologas en el hormign pre-tensado y reforzado

a) GrietasLa formacin de grietas se debe a la deformacin

provocada por la carga medioambiental o mecnica en unapieza de hormign reforzado o pre-tensado, y puede tenerorigen en muchos factores, tales como grietas por deformacinde tensin o compresin (estado crtico de leve colapso);grietas originadas por esfuerzo cortante o torsin (segnFusco (2008), que constituyen un estado crtico de levecolapso); grietas causadas por desplazamiento del hormign;grietas originadas por contraccin; grietas causadas pordeformacin de longitud trmicas o higroscpicas; grietasprovocadas por deficiencia en el posicionamiento de equipode soporte y detalles en las juntas dentadas.

Las aberturas pueden presentar diferentesdimensiones y denominaciones segn Raine (2003). Deacuerdo a sus magnitudes son clasificadas e indicadasen la Tabla 2. Tambin se presentan algunos comentariosa continuacin.

corrosin del hormignEn particular, la corrosin del hormign es el

deterioro donde las reacciones producidas son qumicasy no electro-qumicas, pudiendo ocurrir en tres formas:lixiviacin, reaccin de iones y expansin. Lorenzo et al.(2009) concentra la atencin en la microbiologa comocausa importante de la corrosin en puentes y viaductos.La variabilidad gentica y fisiolgica existente en losmicroorganismos, especialmente en la bacteria, permiteque determinados grupos se instalen en un tipo deestructuras, provocando daos.

corrosin del acero reforzadoLos ambientes agresivos, una alta porosidad,

alta capilaridad, deficiencia en el grosor de la cubierta,materiales de construccin defectuosos y grietas severasson, segn Perdrix (1992), factores predominantes decorrosin en el acero reforzado.

La corrosin del acero, de acuerdo con su formamanifiesta es clasificada e indicada en la Figura 1.

Puesto que el hormign presenta una altaconcentracin de hidrxido de calcio, se produceconsiderable alcalinidad, con un pH 12.5. El dixidode carbono, responsable de la reaccin de carbonatacin,reduce el pH del hormign, depasivando el acero yfacilitando el ataque de sustancias nocivas. La velocidadde penetracin del frente de carbonatacin est en funcindirecta con la permeabilidad y agrietamiento del material.La relacin w/c que determina la permeabilidad especificadel hormign y el grosor de la cubierta, puede influir enla velocidad de carbonatacin, como se comprueba enla Tabla 3, (Helene y Pereira, 2007).



Yoris et al. (2010) tambin concluyeron que lacarbonatacin es significativa en estructuras ubicadas enambientes industriales y estn expuestas a ciclos dehumectacin y secado.

Una de las medidas preventivas y correctivas esla proteccin catdica con nodos de proteccin. Sinembargo Pereira (2009) seal que una adecuadaconcepcin y determinacin de los sistemas de proteccincatdica, as como una adecuada inspeccin peridicade los nodos, adquieren gran importancia para laeficiencia y rendimiento de un sistema de proteccin.Esta inspeccin debiera considerar el diseo de vida til,porque con el sistema operando, los nodos se desgastarnhasta consumirse, permitiendo el desarrollo de procesoscorrosivos.

b) Reacciones qumicasAdems de las reacciones qumicas necesarias

para la hidratacin de los componentes del hormign,que inducen a deformaciones por encogimiento, puedenexistir reacciones nocivas tales como reaccionesexpansivas. Mehta y Monteiro (2008) indicaron que lasms comunes de este tipo son: reaccin alcalina delagregado, reaccin alcalina dolomita, feldespato calcio-sdico, ataque de sulfatos.

Tabla 2. Dimensiones de las aberturas de grietas, surcos, ranuras, fracturas y brechasTable 2. Opening dimensions of crack openings, splits, slits, fractures and breaches

Tipos de abertura/Opening Types

Fisura capilar/Capillary Cracks

Fisura/Cracks

Surco/Split

Ranuras/Slit

Fracturas/Fracture

Brechas/Breach

Tamao/Size

menor a 0.2 mm/Less than 0.2 mm

desde 0.2 mm a 0.5 mm/from 0.2 mm to 0.5 mm

desde 0.5 mm a 1.5 mm/from 0.5 mm to 1.5 mm

desde 1.5 mm a 5 mm/from 1.5 mm to 5 mm

desde 5 mm a 10 mm/from 5 mm to 10 mm

mayor a 10 mm/more than 10 mm

Penetracin en el tiempo, aos /Penetration time in years

Cubierta/Cover (mm)

Relacin/Relation w/c

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

5

19

6

3

1.8

1.5

1.2

10

75

25

12

7

6

5

15

>100

56

27

16

13

11

20

>100

99

49

29

23

19

25

>100

>100

76

45

36

30

30

>100

>100

>100

65

52

43

Tabla 3. Penetracin del frente de carbonatacin en el hormign de cemento PortlandTable 3. Carbonation front penetration in Portland cement concrete



c) Dao provocado por la colisin de vehculos y fuegoLa colisin de un vehculo contra las estructuras

del puente provoca cargas extremas y elevadas difcilesde dimensionar, causando deformacin aguda y daostales como el desprendimiento de la cubierta y laexposicin de la barra de acero reforzado, exigiendo unprograma de proteccin para tales reparaciones (El Debsy Takeya, 2003).

Puesto que el estudio del fuego es bastantecomn, existe buen material de referencia sobre estamateria. En las estructuras de hormign reforzado y pre-tensado, el fuego produce una accin tremendamentenociva. El calentamiento del material produce un aumentodel volumen generando enormes esfuerzos internos queprovocan deformacin del hormign, grietas y colapsodel hormign.

Helene y Pereira (2007) descubrieron que elgrado de alteracin que se puede producir en un hormigny sus componentes ante la accin del fuego, dependerprincipalmente del nivel de temperatura alcanzado, tiempode exposicin y composicin del hormign. Mehta yMonteiro (2008) tambin destacaron que un hormignms permeable otorgar un nivel de deterioro menor queun hormign ms compacto, ya que contiene vapor deagua retenido en los capilares y vacios de la matriz.

d) Deterioro del hormign pre-tensadoLos elementos del concreto pre-tensado tambin

pueden sufrir con las acciones nocivas de factores bienconocidos y cuantificados, segn Cauduro (2003): prdidade adherencia entre el acero tensado y el hormign;relajacin del acero pre-tensado; retraccin del hormign;corrosin por deformacin del hormign bajo tensindel acero pre-tensado; deficiencia de la barra de acerode refuerzo pasiva en el anclaje.

3.2 Puentes de MaderaSegn Wood Handbook (1999) a comienzos

del siglo veinte, la mayora de los puentes en NorteAmrica eran construidos en madera. En la dcada delos noventa, se inici una campaa a nivel nacional pararestaurarlos y permitirles elevar su capacidad de carga.

Calil et al. (2003) destacaron que la durabilidadde la madera siempre que sus procesos de secado ypreservacin hayan sido desarrollados correctamente junto con el empleo de tcnicas modernas, permiten queen Brasil se puedan producir estructuras que duren 50aos o ms. Por cierto, el mercado de la construccinrequiere productos de alto rendimiento, bajo costo, valoresttico y que sean ecolgicos desde un punto de vistamedioambiental.



3.2.1 Factor de interferencia en el rendimiento estructuralde la madera

Segn Porteous y Kermani (2008), los factoresesenciales que influyen en las propiedades de la maderason de orden anatmicos (densidad, ngulos fibrosos,nodos, falla natural de la madera, presencia de declivey flexin de parnquima); factores de uso ymedioambientales (humedad y fallas causadas por ataquesbiolgicos, defectos de secado y de procesos).

3.2.2 Mecanismos de formacin y manifestacinpatolgica en estructuras de madera

La manifestacin de patologas en la madera serelaciona estrechamente con el ambiente donde se encuentrala madera y con el proceso de secado que se ha llevadoa cabo. Aunque es susceptible a deterioro, su durabilidadest probada por medio de tcnicas de prevencinapropiadas. Es as como podemos mencionar trozos demadera con ms de 2000 aos de antigedad en losmonumentos Egipcios, segn indica Dinwoodie (2000).

El proceso de secado de la Madera, segn indicael manual de Montana (2000), es de vital importancia,puesto que brinda las siguientes ventajas: disminuye elpeso propio; aumenta la resistencia mecnica; lascontracciones de la madera ocurren antes de emplearla;aumenta la resistencia contra los hongos; bacterias einsectos; mejora la resistencia de adherencia; otorgamayor habilidad de adherencia; las deformaciones ysurcos generalmente ocurren en la etapa de secado; yfinalmente las pinturas, barnices y lacados solo puedenser aplicados cuando el secado haya terminado.Adems, una caracterstica de la madera que merece serdestacada es su propia anisotropa, responsable de diversaspropiedades elsticas y de resistencia, de acuerdo con ladireccin de aplicacin de la carga en relacin a lasfibras, como proponen Stalnaker y Harris (1997).El deterioro de la madera es un proceso que alterasignificativamente sus propiedades. De acuerdo con Calilet al. (2008), en forma simple, los agentes causantes dela patologa pueden ser clasificados en biticos y abiticos.

a) Agentes biticosEstos son especialmente representados por

microorganismos como los hongos y bacterias; colepteros(escarabajos y taladradores de madera) e insectos ispteros(termitas); y taladradores marinos (moluscos y crustceos).Los agentes biticos requieren de algunas condicionespara sobrevivir, tales como temperatura, oxgeno,humedad y una adecuada fuente de alimento, que eneste caso es la madera (manual de Montana, 2000).



Los efectos patolgicos esenciales de estos agentes sonla putrefaccin y la plaga de insectos, dependiendo dela habilidad de cada organismo pueden producirse ataquesaislados o de un solo tipo, o de un grupo de termitas(organismos cuyo alimento es la madera).

La norma ABNT: NBR 7190 (1997) establecesituaciones de riesgo para la biodegradacin de la madera. Los diseadores deben indicar un procedimientoadecuado para cada situacin. Segn Calil et al. (2003),en general, cuatro preservadores son responsables por el80% de la madera tratada: creosota, penta-clorofenol,CCA (sal de cromo cobre arsnico) y CCB (sal decromo cobre - boro).

b) Agentes abiticosSegn Calil et al. (2003) los agentes biticos son

del tipo fsico-mecnicos, qumicos y climticos. Elmecanismo patolgico esencial de la madera considera lossiguientes agentes abiticos: deformacin y surcosprovocados por la variacin de humedad, abrasin mecnicacorrosin de partes de metal, degradacin foto-qumica,deterioro por altas temperaturas, patologas causadas porexcesiva deformacin e inestabilidad, remocin de maderas,fracturas iniciales y daos provocados por el fuego.

3.3 Puentes de aceroDavison y Owens (2003) observaron que el

acero estructural cuya aleacin metlica est compuestaprincipalmente de hierro y pequeas cantidades de carbn(de 0.002% a 2.0%), posee propiedades de resistencia yductilidad. Aditivos y aleaciones especiales songeneralmente empleadas como especialidades en laingeniera del acero. Adems de los tipos de patologaspresentes en las estructuras de acero, descritas acontinuacin, Pinho y Bellei (2007) observan que en lasestructuras compuestas (vigas y placas) fabricadas enacero y hormign, muy empleadas en la construccin depuentes pequeos y de tamao mediano, tambin sedebe verificar la integracin entre el hormign y el acero,es decir las conexiones.

3.3.1 Mecanismos de formacin y manifestacin depatologas en estructuras de acero

a) Oxidacin del aceroPannoni (2004) establece que el fenmeno de

la corrosin involucra una amplia variedad de mecanismosgeneradores, que pueden ser clasificados en cuatro grupos:corrosin en ambiente acuoso (90%), oxidacin ycorrosin por calor (8%), corrosin en ambientes orgnicos(1.8%), corrosin por metales lquidos (0.2%). La causams frecuente de deterioro en las estructuras de metal esla oxidacin del acero. La corrosin de las estructuras deacero se muestra en la Figura 1.



La pintura es el medio generalmente empleadopara evitar la oxidacin del acero, esta debe ser aplicadaen intervalos mximos de 5 a 10 aos, dependiendo delambiente. Los criterios de aplicacin de pintura sonpresentados por Pfeil and Pfeil (2009). Adems de lapintura, es esencial contar con un drenaje adecuado,previniendo la acumulacin de agua en cualquier partede la estructura.

El nivel de oxidacin puede ser clasificado entres categoras:

superficial slo oxidacin superficial, sin reduccindel rea mediana aparecen areas definitivamente corrodas,creando pequeas capas severa corrosin avanzada, penetrando el acero ypudiendo llevar a la perforacin de la pieza

En zonas marinas, las piezas ubicadas dentrode la fluctuacin de las mareas, o expuestas a humedaden forma irregular, son las ms afectadas. Las cabezas delos tornillos y las partes soldadas son las ms expuestasa corrosin.

A B

Corrosin uniformeUniform corrosion

Corrosin irregularIrregular corrosion

Corrosin localizadaLocalized corrosion

Formacin de hoyosPit formation

GrietasCracking

Figura 1. Tipologa de la corrosin del acero. (A) vista superior, (B) vista lateralFigure 1. Steel corrosion typology. (A) superior view, (B) side view



b) Deterioro causado por sobrecargaLas partes expuestas a gran esfuerzo pueden

alcanzar su lmite de rendimiento, produciendo deteriorospermanentemente visibles, que son denominadosdeterioros plsticos por la norma DNIT (2004).

c) Deterioro causado por falta de refuerzosLa falta de refuerzos en las estructuras de acero

puede llevar al desplazamiento severo y extremo,provocando un colapso, debido al pandeo. Otro fenmenorelacionado a la falta de refuerzo es la vibracin excesiva(Rodrigues, 2008).

d) Deterioro causado por efectos trmicosSegn Pfeil (1983) las variaciones de temperatura

actan sobre las estructuras creando movimientos deelongacin y encogimiento. Cuando estos movimientosson detenidos por un soporte, se ejerce gran esfuerzosobre el material que pudiera exceder su lmite derendimiento, en especial en estructuras hiperestticas,provocando as deformaciones plsticas. Este efecto esreducido con el empleo de espacios intermedios entrelos soportes y conexiones, y usando equipamiento desoporte en buenas condiciones.

e) Dao causado por el efecto del fuegoSegn Pfeil and Pfeil (2009), las altas

temperaturas sobre 100C, tienden a eliminar el lmitede rendimiento del material, provocando un diagramade curva esfuerzo- deformacin, tambin creando unagran variacin del mdulo de elasticidad. Segn Silva(2001) las temperaturas sobre 250 y 300C causandesplazamiento en los aceros, por lo tanto un tratamientotrmico es la mejor alternativa para aumentar el tiempode resistencia de un elemento bajo condiciones de fuego.

f) Grietas causadas por fatiga y/o concentracin de esfuerzoAlgunos detalles inapropiados producen alta

concentracin de esfuerzo en partes metlicas, que puedencrear grietas en el metal. Algunos ejemplos son las esquinasentrantes en ngulos agudos, variaciones puntiagudas delespesor o ancho de la placa, concentraciones de soldadura.

Las fisuras o grietas por fatiga se producen enestructuras expuestas a carga cclica como es el caso delos puentes. Estas variaciones de carga provocanoscilaciones de esfuerzo que pueden generar fisuras ygrietas. En los puntos de concentracin de esfuerzo, losefectos de fatiga son ms agudos. Las rupturas generadaspor fatiga son muy peligrosas y frgiles. Algunos factoresque pueden provocar grietas y fisuras son: alta frecuenciade trfico de camiones pesados; variacin a gran escaladel esfuerzo; calidad del material; calidad de la soldadura,edad e historia de las cargas del Puente.



g) Daos por soldaduraLas fallas por soldadura, ya sean por bajo

rendimiento o material inadecuado, pueden provocardaos severos a la estructura generando una ruptura leve.

h) Daos causados por excesiva vibracinEl uso de las estructuras de piso, con grandes

espacios intermedios que reducen el pandeo, puedenprovocar vibraciones incomodas. La norma ABNT: NBR8800 (2009) indica que el problema de vibraciones puedeser considerado en el diseo estructural, a travs del anlisisdinmico. Los efectos nocivos de la vibracin puedenvolverse incmodos para los usuarios y un riesgo de rupturapara la estructura por efecto cclico, generando fatiga.

3.4 Otras fuentes patolgicas en puentesEn los puentes tambin se pueden observar

situaciones patolgicas, ya sea en sus elementos o en elconjunto estructural completo, independiente del materialcon que est construida la estructura. Las patologas mscomunes son: problemas en los cimientos y juntas,movimiento estructural general de la estructura, movimientorotacional total de la estructura, desgaste y defectos en lapista, juntas con espacios insuficientes o condicionesinapropiadas, cambios de los cursos de agua que provocanerosin y rompimiento de los cimientos, problemas conla mantencin del equipo de apoyo (DNIT, 2004).

3.5 Mantencin estructural e inspecciones de los puentesLa mantencin e inspeccin de los puentes ha

sido la preocupacin de entidades pblicas y privadas yes de consenso general que estas medidas minimizanprdidas por enormes reformas y tambin reducenaccidentes. En relacin a la norma ABNT:NBR 9452 (1986),cdigos de inspeccin de puentes y viaductos de hormign,Sartorti y Mascia (2010) indican que el mtodo actual nocumple ntegramente los requerimientos necesarios parauna inspeccin satisfactoria. Este no cubre los temsconsiderados relevantes y frecuentes en puentes y viaductos,porque restringe y afecta la inspeccin, escondiendo valiosainformacin con relacin a la estabilidad de la estructura.A la luz de esta realidad, es posible apelar al uso de unafuente alternativa adems del cdigo DNIT (2004).Existen al menos cinco clasificaciones para la inspeccinen conformidad con el cdigo DNIT (2004), que incluyeninspecciones de registro, rutinarias, especiales,extraordinarias e intermediarias. Basados en los datosrecopilados, debiera adoptarse un programa demantencin que busque aumentar la vida til y reducirlos costos, como una posible intervencin para corregirlas patologas mencionadas.



4. Identificacin de las patologasestructurales de los puentes en laregion de Campinas SP

El correcto diagnstico de las patologas revelarno solo las causas sino tambin los individuos responsablesde ellas, cuya identificacin ser necesaria para efectoslegales. El diagnstico de cualquier tipo de patologadebe estar basado en un anlisis profundo de la estructuray en el conocimiento adecuado de los mecanismos deformacin y manifestacin de las patologas.

Esta investigacin intenta llevar a caboinspecciones visuales en nueve puentes de caminoscolectores urbanos y rurales en Campinas-SP, Brasil. Esteartculo presenta los datos recopilados en cuatro de esospuentes. La Tabla 4 destaca las principales caractersticasde cada puente analizado.

4.1 Puente 1Este Puente est ubicado adyacente al camino

Joaquim Egdio y es la conexin con la estacin ambientaldel distrito y tambin con las granjas agricultoras de laregin. Su trfico principal est constituido por autos ycamiones livianos. El puente fue construido con vigasde acero y troncos de madera ubicados en formatransversal, creando una rejilla para la losa (ver Figura2), compuesta de una capa de suelo. Las juntas estncompuestas de bloques de piedra y mortero.

PuenteBridge

1

2

3

4

Sistema estructural de la sper-estructuraStructural system of the superstructure

Vigas/Beams

Losa/Slab

Vigas/Beams

Vigas/Beams

GeometraGeometry

Lnea recta ortogonalStraight Line Orthogonal




Ancho (m)Width(m)

5.00

8.00

6.20

4.50

Longitud (m)Length (m)

13.00

7.50

38.20

16.00

Material

Acero/madera/sueloSteel/wood/soil

Hormign reforzadoReinforced ConcreteHormign reforzadoReinforced Concrete

MaderaWood

Table 4. Datos generales de los puentes investigadosTable 4. General data of researched bridges

Figura 2. Vista general del puenteFigure 2. Bridge overview



La Figura 3 muestra el Puente con las vigas deacero bajo extremas condiciones de corrosin, las cualesya han perdido parte considerable de su seccin transversalen la zona de tensin. Los troncos transversales tambin seencuentran en precarias condiciones, con grandes signosde desintegracin debido a la continua presencia de humedadque mantiene la capa de suelo que sirve como losa. Existenproblemas adicionales en relacin con las juntas quepresentan grietas visibles, indicando sobrecargas excesivasa las permitidas por el diseo. En parte las juntas no estnunidas debido a la erosin y bajo rendimiento; tambin seobserva que los contrareles de madera estn en precariascondiciones y podran fallar incluso con cargas menores.

Una sugerencia para mejorar o mantener lafuncin estructural del Puente es reemplazar lasuperestructura por una estructura compuesta de hormigny acero o madera. As la losa de hormign contribuir ala resistencia que beneficiar una mayor capacidad decarga y eliminar los problemas tales como la vegetacinen el puente y la retencin de humedad, las cualesprovocan pudricin de los troncos.

Figura 3. Corrosin del aceroFigure 3. Steel corrosion

Figura 4. Deterioro del pavimentoFigure 4. Deck deterioration



4.2 Puente 2Ubicado en la calle Antnio Zaine, en el distrito

de Baro Geraldo, el puente de la Figura 4 est cerca dela escuela Rio Branco, presenta trnsito de todo tipo devehculos y durante el da el flujo de trfico es muy intensodebido a la escuela. La estructura completa es de hormignreforzado con un sistema estructural, un puente losasoportado en las juntas por hormign reforzado. La luz espequea, mide solo 7.5 m, pero su ancho total es de 14.0m incluyendo dos pasos peatonales de 3.0 m cada uno.

La estructura de la junta presenta grandes surcosen diversas partes, indicando que la presin de la tierraadyacente es mayor que la capacidad de resistencia. Ademsde la deficiencia patolgica, el estado de conservacin delos contrareles y pavimento del puente son precarios. Seobserva que el drenaje del puente no es eficiente.

El avanzado grado de agrietamiento indica unesfuerzo excesivo. Este tipo de patologa puede causardao a la comunidad, especialmente a los estudiantes dela escuela cercana. La intervencin para fortalecer lossoportes es urgente.

Las otras patologas tales como la corrosin enrefuerzos de aparatos de proteccin y el avanzado deteriorodel pavimento son temas que requieren tratamiento. Seobserva una relativa negligencia en la inspeccin ymantencin de la estructura del puente.

4.3 Puente 3Construido sobre el Rio Atibaia, en el distrito

de Sousas, el puente es la conexin principal entre dosdistritos, sin mencionar que es la ruta ptima para llegaral distrito de Joaquim Egidio. Este puente sirve como pasoconstante de autos, buses y camiones, como se muestraen la Figura 5.

Figura 5. Vista del trficoFigure 5. Traffic view



Figura 6. Estado de desintegracin de la aceraFigure 6. State of decay of walkway

La estructura es de hormign reforzado y se divideen dos partes. La losa cubre una luz de 38.2 m, y essoportada por juntas y un pilar central ubicado en el mediodel rio. Las pistas para trfico tienen un ancho de 6.2 m,en las cuales se han colocado vigas de acero para soportarlas aceras peatonales, cuyo ancho es aproximadamentede 2.0 m y fueron construidas con tablas de madera.

En la parte inferior del puente, las extremidadeslongitudinales se observan con una creciente variacin enla seccin de los anclajes (variacin por mayor esfuerzode cizalle en esta regin) y las extremidades transversalesestn conectadas en forma monoltica con una losa tablero.

Entre las patologas se encuentra la excesivavibracin observada al inspeccionar el puente. Se observaque la posible lixiviacin del hormign puede derivarseprincipalmente de la permeabilidad del hormign y deun drenaje deficiente. Tambin se observa que haydesprendimiento debido a la corrosin de acero reforzado.

Las extremidades de acero que soportan la aceraestn corrodas, pero no en un estado avanzado y la losade hormign est desgastada. Las partes de madera en laacera estn deterioradas por la accin de hongos ypresentan graves riesgos para los peatones (ver Figura 6).

Este puente forma parte del patrimonio de laciudad de Campinas y constituye un riesgo para lapoblacin, por tanto requiere una mantencin inmediata.La corrosin de los perfiles de metal requiere de un deun tratamiento con sustrato para remover partes corrodase impurezas, as como la aplicacin de pinturasanticorrosivas en las secciones donde es necesarioreemplazar el material. Tambin es necesario reemplazarmuchas piezas de la tabla de madera tratada.



4.4Puente 4Ubicado en una pista del camino de Rhodia in

Baro Geraldo este puente sirve para conectar zonas deagricultura, transformndolo en un lugar de paso contantede camiones. Su tablero est compuesto de tablas demadera en forma longitudinal y sus troncos y extremidadestransversales son empleados como troncos de madera,segn se muestra en la Figura 7. El puente tiene una luzde una extensin de 16.0 m y un ancho de pista de 4.5m de longitud.

Debido al precario estado de conservacin delos troncos de madera, una viga transversal de acero hasido ubicada en el medio de la luz, soportada por doscables de acero en cada extremo y anclados con bloquesde hormign en la cabecera del puente. En la inspeccinvisual se observa que los cables no tienen suficientetensin, por lo tanto, es posible moverlos manualmente.

Los troncos se encuentran en estado crtico depudricin por hongos y la presencia de humedad permitiel desarrollo de musgo, como se muestra en la Figura 8.

Las juntas construidas con hormign reforzado,presentan varias zonas con aglomeraciones de hormigndebido a deficiencias durante la construccin. Ademsel puente contiene mucha suciedad, especialmente ensu extremidad transversal, lo que indica que el nivel delagua sube hasta la losa aumentando el riesgo de colapsoen pocas de inundaciones.

La madera que constituye la losa an seencuentra en un estado de conservacin razonable, perohay algunos puntos de desintegracin y las reparacionesrealizadas de mala manera, hacen que el puente seapeligroso para los peatones y conductores locales. Losguardarrieles tambin se encuentran en malas condicionescon poca capacidad de resistencia.

Se recomienda la mantencin de este puentepara permitir que los cables sean tensionados y tambinprotegidos apropiadamente de la corrosin. Adems lostroncos del guardarriel deben ser reemplazados a labrevedad.

Figura 7. Vista de la losaFigure 7. View of the slab



5. Conclusiones

Esta investigacin entrega importante informacinque es extremadamente relevante para el rea de la ingenieracivil, en especial para la mantencin de infraestructura decaminos en un pas en vas de desarrollo, que debieramejorar sus medios de transporte con el fin de incrementarsus exportaciones y mejorar su economa. Este factor podracontribuir a elevar el bienestar de su poblacin.

Este artculo destaca las inadecuadas condicionesde muchos puentes para el trfico vehicular. Esto esconfirmado por el nmero comprobado de patologasserias encontradas, que proveen evidencia sobre lasdeficiencias en planificacin, diseo y mantencin.

La revisin de literatura en que se basa estearticulo, expresa la importancia del diseo centrado enprincipios slidos, involucrando a un equipomultidisciplinario para evaluar todos los puntos dandoas al diseo de puentes un carcter funcional, econmico,esttico y medioambiental. Tambin se observa lanecesidad de conocimiento tcnico en relacin al estudiode patologas antes de realizar una inspeccin. En elaspecto de la durabilidad, se observa que las patologaslocalizadas afectan significativamente la estructura, y atravs de ellas pueden surgir otras patologas que reduciranla vida til de la estructura.

Se sugiere que para cada uno de los puentesestudiados, que presentan casos ms severos, las entidadespblicas presenten soluciones viables, tales como elreemplazo de estructuras daadas por nuevos puentes,actuando de manera rpida y con eficiencia en laimplementacin de tales estructuras.

Finalmente se concluye que la prevencin es lamejor manera de prevenir condiciones patolgicas. Lamantencin preventiva es apoyada no slo por un correctodiseo o apropiada implementacin de acuerdo aparmetros de calidad, sino tambin por un programa demantencin estructural.

Figura 8. Desintegracin de la madera de la estructura principalFigure 8. Decay of wood of the main structure


6. Referencias / References


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Identificación y análisis de patologías en puentes de carreteras

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