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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

RELACIÓN ENTRE LA FALLA DE PUENTES VEHÍCULARES PRODUCIDA POR

EVENTOS HIDROLÓGICOS EXTRAORDINARIOS Y LA FALTA DE MANTENIMIENTO

David Joaquín Delgado Hernández1, José Omar Jiménez Miranda2, Luis Horacio Martínez Martínez2, Jair González Rojas2 y Silverio Hernández Moreno3

RESUMEN Los puentes son estructuras cuyo objetivo es dar continuidad a un camino, librando obstáculos naturales y artificiales. Su empleo data de épocas muy antiguas, y las civilizaciones del pasado los construían frecuentemente. De hecho, los primeros en recurrir a estas soluciones fueron los romanos, quienes utilizaron mampostería natural (rocas), y la combinaron con formas de arco. Aquel material prevaleció durante siglos, hasta que en Inglaterra, en 1779, fue construido el primer puente de hierro, y posteriormente con los avances de la ciencia de materiales se construyeron los puentes de concreto. El uso, el desgaste de sus elementos, las sobrecargas, los efectos de socavación y los agrietamientos de sus miembros son algunas de las causas que provocan la falla de los puentes. Dichas fallas no necesariamente implican un colapso total de la estructura. Así, en este artículo bastará con que la obra deje de funcionar como fue diseñada para afirmar que ha fallado. En este contexto, las actividades de mantenimiento cobran gran importancia, ya que contribuyen a conservar las construcciones en buen estado. Entre los diferentes tipos de mantenimiento que existen (predictivo, preventivo, detectivo, correctivo y mejorativo), se considera que el preventivo puede ser practicado con éxito en los puentes, para que estos presenten un buen desempeño el mayor tiempo posible. Esto, redunda en beneficios económicos y de seguridad, en virtud de que aminora la posibilidad de que la estructura falle y provoque daños monetarios y/o de pérdidas de vidas humanas. Notar que cada una de las partes que conforman la estructura requiere un tipo de mantenimiento específico para garantizar su correcto desempeño. En la literatura se proponen acciones de mantenimiento correctivo para reparar puentes deteriorados. Sin embargo, las investigaciones enfocadas al mantenimiento preventivo no son tan abundantes. Estas últimas, en general, concentran sus esfuerzos al monitoreo de esas estructuras. Así, en este trabajo, se propone un modelo para relacionar la falta de mantenimiento en estas obras, con la falla de alguno de sus elementos debida al colapso parcial o total de la estructura, resultado de algún evento hidrológico extraordinario (ej: lluvia y huracán). Basado en casos documentados en la bibliografía internacional, se cree que el modelo puede ser adaptado al contexto mexicano y en particular al del Estado de México para tomar decisiones sobre el mantenimiento de puentes. Palabras Clave: Vulnerabilidad Estructural, Mantenimiento, Inspección, Puente, Falla.

1 Profesor-Investigador, Coordinación de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma

del Estado de México, Ciudad Universitaria, Cerro de Coatepec s/n, Toluca, Estado de México, C.P. 50130, Teléfono, (722) 214 08 15 ext. 1101; [email protected]

2 Coordinación de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de México, Ciudad Universitaria, Cerro de Coatepec s/n, Toluca, Estado de México, C.P. 50130, Teléfono, (722) 214 08 15 ext. 1075

3 Profesor-Investigador, Facultad de Arquitectura y Diseño, Universidad Autónoma del Estado de México, Ciudad Universitaria, Cerro de Coatepec s/n, Toluca, Estado de México, C.P. 50110

XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre 2010.

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ABSTRACT Bridges are structures whose main purpose is to overcome natural and artificial obstacles. They have been commonly constructed from ancient times. In fact, within the Roman Empire it was common to have arc shaped masonry structures. In 1779, the first iron bridge was built in England, and some time later reinforced concrete was also employed to that end. Over the last century, concrete has commonly been used as one of the main construction materials for this kind of structures, along with steel. Use, overloading, scour and cracking may cause a bridge to fail, which not necessarily means that the structure has totally collapsed. So, in this paper, failure will be understood as the state in which the bridge does not fulfill its original design purpose. In order to preserve the infrastructure in good condition, maintenance activities play a key role. There are five maintenance categories: predictive, preventive, detective, corrective and perfective. It is believed that the preventive approach can be successfully practiced in the bridge industry, to extend their life cycle. This in turn, can be translated into economical benefits and increased security, because the failure possibility is reduced, avoiding monetary damages and/or human life losses. Note that each element of the bridge structure requires different maintenance initiatives to ensure their correct performance. The literature reports that corrective maintenance should be used to repair damaged bridges. However, preventive related research is still limited, focusing mainly in monitoring tasks. As a result, in this work a model for showing the relationship between lack of maintenance and the failure of one of its elements due to an extraordinary hydrological event is proposed, based on documented international bibliography. The model can be adapted to the Mexican context (particularly to the State of Mexico´s) to make bridge maintenance decisions. Keywords: Structural Vulnerability, Maintenance, Inspection, Bridge, Failure.

INTRODUCCIÓN En las etapas de diseño y construcción de obras de ingeniería civil debe tomarse en cuenta la eventualidad de que los proyectos pongan en riesgo la salud o seguridad pública, o provoquen pérdidas económicas a la comunidad (Merrit et al, 1996). De acuerdo con el estándar británico BS 8800 (1996), un “riesgo” es la combinación de la probabilidad de que un evento peligroso ocurra y el efecto de sus consecuencias. La presencia de riesgos en una obra de infraestructura civil, depende de aspectos: naturales (ubicación geográfica, clima), diseño-constructivos (características geométricas, propiedades de los materiales, calidad constructiva), y la posibilidad de que se presenten escenarios que puedan conducir a una falla en el sitio donde se localiza. Modarres et al (1999) sostienen que cuantitativamente el riesgo se puede definir como la interacción de tres variables: exposición a un peligro o amenaza, probabilidad de ocurrencia de dicho peligro, y el grado de consecuencias provocadas por el mismo. Así, cuando una amenaza se manifiesta en la realidad, un sistema puede llegar a la falla. De acuerdo con la Real Academia de la Lengua Española (RAE, 2010), una falla se define como un “defecto material de una cosa que merma su resistencia” concepto que en este articulo se expande, para considerar también el caso de estructuras que, sin haber colapsado totalmente, dejan de brindar el servicio para el que fueron diseñadas. En función del tipo de estructura que se analice, las fallas pueden provocar o no grandes pérdidas. Siendo los puentes vehiculares obras de infraestructura imprescindibles que requieren grandes inversiones, y que permiten el movimiento de personas y cargas en gran volumen, su análisis de riesgos resulta importante para asegurar que se encuentran en un estado de operación adecuado; y de no estarlo, para tomar las medidas correspondientes a favor de su correcto funcionamiento. Los puentes se clasifican de acuerdo a su función como: férreos, vehiculares y peatonales; de acuerdo a su tipo estructural como: de claro simple, de claros continuos, de cantiliver y de estructura rígida; de acuerdo con

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el material con el que están fabricados como: aluminio, acero, madera, concreto y mampostería; y de acuerdo a las características de su estructura como: losas, armaduras, arcos, colgantes, vigas longitudinales y compuestas (JDAAF, 1994). Estos tipos pueden ser combinados, lo que produce la existencia de una gran variedad de estructuras. A su vez, un puente se compone de dos partes principales: subestructura (apoyos, estribos, columnas, pilas y cabezales), y superestructura (superficies de rodamiento, losas y vigas) (Reinoso et al, 2000) En términos de fallas, Imhof (2004) documentó una muestra de 348 eventos registrados entre 1444 y 2004 a nivel internacional, concluyendo que entre las causas más comunes se encuentran: los riesgos naturales (28%), errores de diseño (21%), impactos (18%), sobrecarga (10%), error humano (10%), causas desconocidas (10%), deterioro (2%) y vandalismo (1%). Cabe mencionar, que a nivel internacional se estima que solo el 4% del total de puentes construidos llegan a tener algún tipo de falla registrada (Wardhana y Hadipriono, 2003). Así, en este artículo, se estudiarán los riesgos naturales y su relación con el deterioro en puentes producido por la falta de mantenimiento. Notar que, entre los eventos naturales (ej: sismo, viento, huracanes, tsunamis, vulcanismo e inundación), solo se abordará el referente a la inundación, en virtud de que se trata del riesgo que más frecuentemente afecta a los puentes, de acuerdo con los registros estadísticos reportados por Wardhana y Hadipriono (2003), afectando a mas del 20% de su muestra. En los siguientes apartados, se presentarán algunos aspectos y consecuencias relacionados con eventos hidráulicos que afectan a los puentes como: inundación, desbordamiento, socavación, arrastre de materiales y escombros, erosión y flujo natural en cauces. Acto seguido, se presentarán los conceptos asociados al mantenimiento de puentes, con particular énfasis en los elementos que componen su subestructura. Posteriormente se propone un modelo para relacionar la falta de mantenimiento de estas obras con la falla de alguno de sus elementos como consecuencia de una inundación, y se aplica a un caso de estudio.

VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA FALLA DE PUENTES

Un puente puede estar expuesto a distintos riesgos naturales en función de su ubicación geográfica. En el caso particular de la presente investigación, se reitera que el interés principal son los eventos hidrológicos y sus consecuencias, por lo que se presenta la definición y descripción de las variables involucradas en dichos eventos, y su relación con la falla de puentes. Desbordamiento Este tipo de evento resulta de la incapacidad de una estructura natural o artificial para retener el agua que contiene. Las presas son un ejemplo de obra contenedora que puede presentar desbordamientos como resultado de la subestimación del gasto de diseño de su vertedor, lo que impide desalojar el volumen excedente del líquido. Pérez (2009) reportó que otras causas comunes se relacionaban con: el mal funcionamiento de la obra de toma o que esta se encontrara fuera de servicio, el deslizamiento de taludes aguas arriba de la cortina, sismos, oleajes producto del viento, y la liberación repentina de grandes volúmenes de agua en sistemas de presas en serie. Estas causas generan el incremento en el nivel del agua en el embalse, situación que se traduce en un excedente, que pasa encima de la cortina, erosionándola y dañando el talud de aguas abajo (Juárez y Rico, 1996). De manera similar, se puede desbordar un río o un canal artificial, provocando inundaciones en las zonas laterales a sus cauces. Pero independientemente de la causa del desbordamiento, la liberación de agua que este provoca puede generar la falla de puentes. Por ejemplo, en Nueva Zelanda se registró un evento volcánico que derivó en el desbordamiento de un presa, causando la inundación que destruyó el puente “Walouru” en 1953 (Imhof, 2004). Así, a continuación se presentan más detalles sobre las inundaciones. Inundación Una inundación es un fenómeno natural provocado por el exceso en los escurrimientos de agua superficiales, falta de drenaje, y/o escasez de filtración natural, lo que deriva en la acumulación del líquido en las áreas bajas de una región (Bremer y Lara, 2001). Desafortunadamente, las inundaciones son incidentes frecuentes a


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nivel mundial, y también pueden presentarse como consecuencia del desbordamiento o la falla de estructuras contenedoras de agua (ej: presas, canales, lagos y ríos). No importando la causa, la cantidad y velocidad con que viaja el agua, son factores que determinan el nivel de consecuencias y daños en un sitio dado. En materia de puentes, Reed (2004) clasificó las inundaciones con potencial de afectar puentes férreos, con base en 30 incidentes registrados en el Reino Unido entre 1846 y el año 2000. El criterio principal para categorizar las inundaciones, fue el período de retorno de los eventos meteorológicos. En la Tabla 1 se presenta el resultado de su investigación, que indica la existencia de cuatro tipos de inundaciones cuyos periodos varían desde los 2 hasta los 2000 años. Notar que las fallas se producen aun con períodos de retorno relativamente pequeños (2-20 años).

Tabla 1 Clasificación de inundaciones (Adaptado de: Reed, 2004)

Categoría Inundación asociada al período de retorno (años)La inundación contribuye a la falla 2, 5, 10, 20 Producida por una inundación relativamente rara 50, 200 Producida por una inundación rara 200, 500 Producida por una inundación excepcionalmente rara 1000, 2000, 5000

Más aún, un estudio realizado por Wardhana y Hadipriono (2003) en Estados Unidos, reveló que el 62% de un total de 266 fallas de puentes fueron provocadas por inundaciones. Dichas fallas se presentaron entre 1989 y el año 2000, aunque reportaron que desde 1977 se habían registrado tendencias similares. Imhof (2004) reportó fallas recientes de algunas estructuras como resultado de esta causa en Alemania y Austria en 2002. De hecho, después de analizar la falla de 348 puentes a nivel internacional, encontró que 29.3% de su muestra habían fallado por riesgos naturales, y de esa proporción el 61% lo habían hecho por inundación. Arrastre Este problema se presenta en puentes que pasan sobre ríos o canales. En esencia, se trata del acarreo de materiales (naturales y/o artificiales) a lo largo del cauce por donde fluye el agua. Los objetos transportados golpean los elementos de la subestructura, y en ocasiones incluso llegan a impactar a la superestructura. Los cuerpos arrastrados pueden variar desde finas arenas hasta árboles y vehículos, pasando por basura, rocas y lodo. Reed (2004) documentó la falla que un puente de Gales sufrió en 1979, cerca de la vía férrea de Merthyr Tydfil. Después de un periodo inusualmente largo de lluvias (26-27 de Diciembre), se obstruyó una alcantarilla debajo del terraplén sobre el cual estaba soportado el puente, lo que provocó la acumulación de agua, misma que subió a una altura de 7 m, derivando en la falla súbita de la estructura. Como resultado de este evento, murieron dos personas, y se presentó el arrastre de aproximadamente 20,000 m3 del material del terraplén. En 2004, se presentó en Estados Unidos la falla de un puente en el condado de McCormick en Carolina del Sur. Básicamente, los escombros resultantes del Huracán Jeanne se acumularon contra las pilas de apoyo de la estructura en los 6 m de profundidad del agua, lo que condujo a su colapso total (Imhof, 2004). Como se puede observar, el arrastre se encuentra relacionado con el flujo continuo de agua debajo de los puentes, y de manera particular con eventos hidrológicos extraordinarios. Erosión La erosión se define como el “desgaste de la superficie terrestre por agentes externos, como el agua o el viento” (RAE, 2010). Este fenómeno afecta la estabilidad de los suelos en los que se soporta un puente, provocando que el material de apoyo se deteriore. Por ejemplo, en 1966 el puente entre Antwerpen y Aachen en Bélgica colapso totalmente por esta razón (Scheer, 2000). Similarmente, en 2004, el puente Ramu en la provincia de Madang en Nueva Guinea, tuvo problemas de erosión combinados con un mal diseño, deslizamiento de taludes y arrastre de escombros (BF, 2009).

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A pesar de que este fenómeno natural se presenta comúnmente en los ríos sobre los que pasan los puentes, la proporción de fallas directas por su causa es relativamente baja. Imhof (2004) reportó solo cuatro eventos dentro de las 348 rupturas que estudió. En contraste, el mismo autor identificó 18 fallas por socavación, variable descrita enseguida. Socavación El Departamento de Transporte de Texas define socavación como “el resultado de la acción erosiva de un flujo de agua que excava y remueve el material del lecho de una corriente” (TDOT, 2009). La misma fuente señala que las tasas de socavación dependen de los materiales y las condiciones del flujo bajo estudio, así como de la resistencia del material a la erosión y el balance entre los sedimentos transportados dentro y fuera de una sección. La Armada Estadounidense (JDAAF, 1994), argumenta que la socavación en un río puede ir de 0 a 9 m en roca y material suelto respectivamente. Así, se intuye que este proceso es peligroso para la subestructura de puentes que salvan corrientes continuas de agua. De manera particular, se puede mencionar el caso del colapso del puente Tonalá, ubicado en el kilometro 41 + 470 de la carretera de Coatzacoalcos a Villahermosa, en los límites entre Veracruz y Tabasco, México. De acuerdo con Frías (2010), “los resultados de los estudios efectuados determinaron que se presentó socavación en las pilas, lo que dejó expuestos los pilotes de cimentación y con escaso empotramiento en el fondo del río, motivo que ocasionó el colapso”. En la Figura 1 se muestran dos fotografías del suceso ocurrido el 17 de Julio de 2009, y el cual se empleará como caso de estudio más adelante.

Figura 1a Vista longitudinal de la falla del puente Tonalá (Frias, 2010)

Figura 1b Vista transversal de la falla del puente Tonalá (Frias, 2010)

De manera similar, en el 2001 falló el puente férreo de armadura entre Castelo de Paiva y Penafiel en Portugal (BF, 2010). De acuerdo con las investigaciones realizadas, la cimentación del claro central presentó problemas de socavación mientras un autobús lo transitaba durante una tormenta, que provocó que el caudal del Río Douro creciera conduciendo al desastre. Desafortunadamente los costos por este evento incluyeron la pérdida de 59 vidas humanas, por lo que el puente fue demolido y sustituido por uno nuevo. Imhof (2004) mencionó que el puente había colapsado por la presencia simultánea de tres factores: inundación, socavación y falta de mantenimiento. De esta forma, la siguiente variable a estudiar es el mantenimiento, misma que será desarrollada con amplitud debido a su importancia en la conservación de obras de infraestructura.

MANTENIMIENTO

El mantenimiento se define como un conjunto de operaciones y cuidados necesarios para que instalaciones, edificios, industrias, etc., puedan seguir funcionando adecuadamente (RAE, 2010). La importancia de este aspecto radica en que minimiza el riesgo de falla en una estructura, pues los costos esperados por su ruptura se minimizan al conservar en buen estado sus elementos. En puentes, la Armada de los Estados Unidos (JDAAF, 1994), sostiene que el mantenimiento es el programa de actividades periódicas, para preservar o


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restaurar la estructura, y que siga cumpliendo con el propósito para el que fue diseñada. También incluye trabajos que contribuyen a prevenir daños que en un futuro tendrá cierto costo reparar. Específicamente, el mantenimiento de un puente incluye actividades que van desde su inspección periódica hasta la renovación de su estructura (ej: pavimento, apoyos, juntas, e impermeabilización), e incluso puede llegar al reforzamiento para garantizar un buen desempeño. En efecto, uno de los elementos que conforman el mantenimiento es la inspección continua y rigurosa para generar un programa efectivo de conservación (JDAAF, 1994). En función del momento en que se llevan a cabo las actividades, se puede hablar de hasta cinco tipos distintos de mantenimiento, discutidos enseguida. Tipos de mantenimiento En general, en obras de infraestructura, las tareas de conservación están encaminadas a evitar accidentes y lesiones en los usuarios, mediante la protección de las estructuras para que estas tengan un correcto desempeño y maximicen la seguridad, reduciendo la posibilidad de fallas. Notar que la inversión en trabajos de mantenimiento es relativamente económica en contraste con los costos de reparaciones mayores, y aquellos derivados de la interrupción del servicio que brinda una obra. Tomando como referencia la perspectiva de la comunidad Latinoamericana del Mantenimiento (PLM, 2007), se puede afirmar que el propósito de la conservación en un puente, es garantizar su funcionalidad para incrementar la competitividad de un país por medio de:

• El aseguramiento de la confiabilidad de la estructura, • La satisfacción de todos los requisitos del sistema en materia de calidad, • El cumplimiento de las normas de seguridad y medio ambiente aplicables, y • La maximización de los beneficios de la obra.

La misma fuente, sostiene que las consecuencias por la falta de mantenimiento se pueden clasificar en cuatro grupos principales (PLM, 2007):

• Fallas ocultas, • Seguridad y medio ambiente, • Operacionales, y • No operacionales

En cuanto a los tipos de mantenimiento, la Tabla 2 presenta un resumen de las cinco clases existentes, describiendo cada una brevemente, y dando un ejemplo específico para el caso de puentes. Las cinco categorías de mantenimiento son: predictivo, preventivo, detectivo, correctivo y mejorativo.

Tabla 2 Tipos de mantenimiento (PLM, 2007)

Tipo de mantenimiento

Descripción Ejemplos

Predictivo Se trata de actividades de inspección regular para tomar acciones que permitan identificar posibles fallas

Visualización de grietas en miembros estructurales, existencia de corrosión, etc.

Preventivo Consiste en el reemplazo periódico de los componentes de la estructura, independientemente de su estado

Pintado, reemplazo de tornillos, limpieza de juntas, retiro de vegetación, re-encarpetado, etc.

Detectivo Analiza regularmente la funcionalidad del sistema estructural, para determinar la existencia de fallas y proceder al reacondicionamiento

Diferencia entre la densidad de tráfico actual y la de diseño, revisión de problemas como socavación, erosión y asentamientos, etc.

Correctivo Consiste en la sustitución emergente de uno o más elementos que ya han fallado

Reemplazo de vigas, refuerzo de las pilas o estribos, cambio de conexiones, etc.

Mejorativo Se trata de la modificación de las condiciones originales, para evitar obsolescencia

Mejoramiento de la cimentación, incremento de sección de trabes y vigas, ampliación de la longitud y/o de la superficie de rodamiento, cambio de trazo, etc.

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Una de las ventajas del mantenimiento predictivo es que permite identificar problemas potenciales que pueden derivar en una falla. No obstante, se trata de un enfoque subjetivo por lo que se depende del criterio del inspector. Por ello, en este caso se recomienda la instrumentación de la obra para contar con datos objetivos, que permitan tomar decisiones con relación a las acciones a implementar, para garantizar la seguridad del puente. En lo que se refiere al preventivo, una de sus principales bondades es que contribuye a mantener el puente en un estado cercano al que tuvo cuando estaba recién construido. Sin embargo, puede llegar a ser muy oneroso si no se cuenta con un plan efectivo de administración de recursos. A favor del mantenimiento detectivo se puede afirmar que verifica si los valores de diseño (ej: cargas y tráfico) corresponden a los reales, y en caso de no ser así, propone la realización de revisiones detalladas (de preferencia efectuadas por peritos en la materia) de los elementos del sistema estructural. Por ende, el principal obstáculo de este tipo de enfoque es que no siempre se cuenta con la disponibilidad del equipo y de los especialistas para llevarlo a cabo. En cuanto al correctivo, el beneficio principal es que sustituye parcial o totalmente los elementos deteriorados, para regresar la estructura a un nivel de servicio aceptable, pero puede requerir inversiones tan grandes o superiores a los de una obra nueva. Además, si no se efectúa oportuna y cuidadosamente puede involucrar la pérdida de vidas humanas. Por último se tiene el mantenimiento mejorativo, cuya ventaja esencial es que prolonga la vida útil de la estructura, siendo su desventaja los costos que esto implica. Como se aprecia, es importante tomar en cuenta estas bondades y limitaciones para elegir el tipo de mantenimiento adecuado para un puente en particular. Habiendo discutido la importancia y los tipos de mantenimiento existentes, y como podrían aplicarse a las obras bajo estudio, ahora se procede a la presentación del modelo cualitativo para analizar riesgos de falla en puentes expuestos a eventos hidrológicos extraordinarios.

MODELO PROPUESTO

El modelo presentado se basa en una Red Bayesiana (RB), es decir, en un gráfico acíclico dirigido, compuesto de dos elementos principales: nodos (variables) y arcos o flechas (correlaciones). Por la sencillez que involucra su elaboración, las RBs son una herramienta clara y flexible, pues permiten la representación de modelos conceptuales tanto a nivel cualitativo como a nivel cuantitativo. Esto último, gracias a los desarrollos matemáticos recientes que permiten cuantificar las relaciones entre sus variables (Hanea, 2008). Es importante mencionar que, a pesar de la posibilidad de manejar cantidades en las RBs, en este artículo solo se presenta la parte cualitativa del modelo propuesto. Para los lectores interesados en conocer la faceta cuantitativa aplicada a un caso de ingeniería civil, se recomienda revisar Delgado et al (2008). De esta forma, los nodos representan las variables de interés, y los arcos las correlaciones existentes entre las variables, relación que denota la influencia de una con respecto a la otra. Es decir, muestran la intensidad de correlación entre las variables. En la Figura 2, se presentan: (a) una red, y (b) una RB. Como se puede observar, el conjunto de nodos (A-E), cuentan con arcos que tienen dirección (dirigidos) en ambos casos. No obstante, en el primero (a) los arcos generan un ciclo (B-C-E-D-B), ya que las flechas eventualmente salen y vuelven a llegar al mismo nodo (B), por lo que se presenta un comportamiento cíclico. En contraste, para el caso (b), la dirección de las flechas es acíclica, ya que en ningún momento los ejes (arcos) regresan a su origen, por lo que se está ante la presencia de una RB. En el caso de la RB para los puentes, las variables empleadas son: (i) lluvia, (ii) desbordamiento, (iii) mantenimiento, (iv) cauce natural, (v) inundación, (vi) arrastre, (vii) erosión, (viii) socavación, y (ix) falla. Las cinco primeras corresponden a las causas que pueden derivar en el mal funcionamiento de un puente, las siguientes tres a los síntomas, y la última representa la falla propiamente dicha (ej: ruptura de un elemento, asentamiento de algún apoyo, deslizamiento de una trabe, reducción de secciones, corrosión, etc). Para efectos del presente modelo, y con la finalidad de mantener la simplicidad del mismo, no se han detallado como variables los tipos específicos de fallas, sino que se han englobado en un solo nodo.


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Figura 2 Representación esquemática de una red y una red bayesiana En la Figura 3, se muestra el modelo formulado para el análisis de riesgos en puentes sobre ríos, donde se observa el acomodo y las diferentes correlaciones existentes entre las variables. Como se puede apreciar, los arcos (flechas) denotan la relación entre las variables consideradas, que simulan la cadena de eventos que pueden conducir a la falla de un puente.

Figura 3 Modelo propuesto Se puede afirmar que eventos hidrológicos como una lluvia extraordinaria o un huracán, son la causa de inundaciones que pueden provocar arrastre, erosión y fallas. En lo que se refiere a la variable desbordamiento, en el presente artículo no se ha asociado con la lluvia, pues solo se refiere a un evento que puede provocar una inundación que afecte a un puente. Por ejemplo, se podría desbordar una estructura contenedora de agua (ej: presa, dique, canal, tanque, etc) por alguna causa (ej: sismo, falta de mantenimiento, vulcanismo, etc), y el evento de liberación de agua no estaría necesariamente asociado con la lluvia de forma directa. Otra variable considerada en el modelo es el mantenimiento, cuya falta puede conllevar a la pérdida de material en el lecho del río, lo que eventualmente se podría convertir en erosión y socavación en la subestructura. Cabe mencionar que en esta variable están implícitos los tipos de manteamiento ya descritos, y que son aplicables a la subestructura, parte que requiere un gran cuidado ya que es la que está más expuesta a los eventos hidrológicos estudiados. De manera particular, se pueden mencionar las actividades de mantenimiento en la base de la estructura y cauce presentadas en la Tabla 3.

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Tabla 3 Mantenimiento de la subestructura de un puente (JDAAF, 1994)

Elemento Ejemplos Contribuye a: Esquema Cauce Desazolve o limpieza de la

sección Evitar la disminución de la sección hidráulica de diseño, y por consecuencia los sobre-esfuerzos que generaría en la subestructura la acumulación de materiales y azolve

Estribos Enrocamiento adyacente a los estribos

Prevenir problemas de erosión y socavación

Anclaje Incrementar la estabilidad lateral del elemento

Pilas Inyección de lechada en la

zona de cimentación Muro de rocas alrededor de la cimentación confinado con cementante

Disminuir problemas de socavación local Recuperar material perdido por socavación y prevenir erosión futura

En lo que se refiere a la variable del cauce natural de un río, de nuevo, no se ha ligado con la variable lluvia, pues en esta investigación dicho cauce se considera como una corriente continua que puede producir arrastre, erosión y socavación, y si las condiciones lo permiten, incluso conduce a la falla de la estructura. Para ilustrar el uso del modelo propuesto en la práctica, a continuación se presenta un caso de estudio relacionado con la falla del puente Tonalá descrito anteriormente (Frias, 2010). Para ello, se asociarán los conceptos del mantenimiento ya discutidos, con las variables del modelo.


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CASO DE ESTUDIO

El puente Tonalá se ubica en el kilometro 41 + 470 de la carretera Coatzacoalcos-Villahermosa, en los límites de los estados de Veracruz y Tabasco. De acuerdo con la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT, 2009), la estructura fue construida en 1958, y constaba de una superestructura de siete claros de losas de concreto presforzado, apoyada sobre cuatro trabes presforzadas de 35.84 m, cubriendo una longitud de 250.6 m por 9.5 m de ancho. En lo que se refiere a la subestructura, esta se componía de dos caballetes extremos y seis pilas de soporte de concreto reforzado, soportadas por pilotes metálicos de 0.61 m de diámetro con una pendiente de inclinación de 1:8, salvo por los caballetes mencionados, que eran verticales. De acuerdo con la base de datos del Sistema de Puentes Mexicanos (SIPUMEX), encargada de administrar este tipo de estructuras y que cuenta con una metodología de inspección para identificar necesidades de mantenimiento, la última revisión de la estructura sobre el Río Tonalá se realizó en el 2008. El SIPUMEX emplea una escala del 0 al 5 (ver Tabla 4), en la cual el puente obtuvo una calificación de 2. Esto significa que en la última inspección realizada en la obra, se determinó que su estado era aceptable, y que solo presentaba problemas menores.

Tabla 4 Escala de calificaciones SIPUMEX (Frías, 2010)

Nivel Descripción Ejemplos

Nombre y Ubicación Diagnóstico

0 Estructuras recientemente construidas o reparadas, sin problemas

Puente “Chiapas”, Chiapas

Puente relativamente

nuevo

1 Puentes en buen estado. No requieren atención

Puente “Mezcala” Guerrero

Puente en operación, sin

probemas

2 Estructuras con problemas menores, plazo de atención indefinido

Puente “Tequisistlan” Oaxaca

Solo algunos claros en

operación por ser época de

estiaje

3 Daño significativo, reparación necesaria en un plazo de 4 a 6 años

Puente “San Agustin” Veracruz

Corrosión en columnas y muro

diafragma de pilas

4 Daños importantes, reparación necesaria en un plazo de 2 a 4 años

Puente “Juana Moza” Veracruz

Parapeto destruido en un

30% de su longitud, por

impacto

5 Daño extremo, requiere atención en un plazo no mayor de 2 años

Puente “El Esqueleto” Sonora

Socavación

Notar que los plazos indicados para las calificaciones 3, 4 y 5, se toman desde la fecha de última inspección.

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De esta forma, se recomendó que la siguiente inspección se realizara en el 2011. La SCT (2009) también argumenta que en 1988 se efectuaron trabajos de reforzamiento en la superestructura, con la finalidad de darle mayor capacidad de carga. A pesar de los diagnósticos “positivos”, el 17 de Julio de 2009 los tramos entre los apoyos tres y ocho, cayeron provocando que tanto la superestructura como las pilas alcanzaran el fondo del rio. En contraste, el tramo uno-dos no presentó daños, el dos-tres quedo apoyado en la pila tres, mismo que tuvo cierto grado de inclinación (ver Figura 4).

Figura 4 Vista panorámica de la falla del puente Tonalá (Fuente: www.terra.com.mx) Los estudios realizados para determinar la causa de falla fueron los siguientes (SCT, 2009):

• Recolección del proyecto original de 1958, incluyendo datos del rio, • Datos de batimetría recopilados en el 2005, • Levantamiento de batimetría del día posterior a la falla para definir la situación del río, • Análisis hidrológico y topo hidráulico, • Revisión de cimentación, • Estudio de socavación bajo condiciones similares a las del momento del colapso, e • Inspección profunda (bajo el agua) para verificar el estado de los apoyos y tramos colapsados, así

como la existencia de corrosión en los pilotes. Lo anterior, condujo a lo siguiente: la hipótesis inicial de que la corrosión había sido la causa principal del colapso fue descartada, ya que no se detectó su presencia en los pilotes. Al comparar el estudio de 2009 con el de la batimetría del proyecto original, llegó a ser evidente que el fondo del cauce se encontraba en un proceso erosivo de recuperación, usual en las corrientes naturales, ya que existía una diferencia máxima de 4 m de profundidad con relación a los primeros planos. Al analizar la cuenca desde el punto de vista hidrológico, se determinó que el caudal máximo para un periodo de retorno de 100 años, era de 3,240 m3/s. Sin embargo, el gasto durante el colapso fue de 2,836 m3/s. En lo que se refiere a la socavación total ocurrida en esta estructura, se determinó que la máxima era de 11m en las pilas 6 y 7, resultado 11 veces mayor al previsto en el proyecto inicial. Debido a este problema, el empotramiento de los pilotes se redujo a 4 m, lo que desencadeno un asentamiento diferencial y, eventualmente, la ruptura. En suma, el análisis concluyó que el puente Tonalá colapsó por socavación en sus apoyos. Tomando como referencia el modelo propuesto, y aplicándolo al caso descrito, se puede observar que la secuencia de eventos que condujeron a su colapso fue: (a) lluvia, (b) inundación, (c) erosión, (d) socavación, y


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(e) falla. A pesar de que en el dictamen del 2008 se había determinado que el estado funcional del puente era relativamente bueno (nivel 2), la realidad confirmó que la simple inspección visual tiene limitaciones, debido a que se basa netamente en el criterio del observador. Aún con la amplia experiencia con la que cuentan los inspectores expertos de este tipo de obras, la existencia de herramientas como la aquí desarrollada puede ser de utilidad para hacer mas objetivo el proceso. En este sentido, los autores trabajan actualmente en la cuantificación de las variables de dicho modelo, para poder hacerlo operativo y permitir que sea una herramienta útil para soportar las decisiones relacionadas con la asignación de recursos para llevar a cabo tareas de conservación y mantenimiento, en puentes vehiculares sobre ríos expuestos a peligros hidrológicos.

CONCLUSIONES

Los puentes son obras de infraestructura que permiten comunicar poblaciones mediante el libramiento de obstáculos como ríos, carreteras y fosos. Debido a su importancia, el análisis de riesgos en estos proyectos es relevante, en virtud de que permite identificar posibles causas de falla, y programar actividades de mantenimiento para mitigar posibles daños ante la presencia de eventos hidrológicos extraordinarios. Así, la construcción, operación y mantenimiento de estas obras de infraestructura, son aspectos en donde los propietarios, administradores e instancias responsables deben de poner especial atención. El modelo propuesto en la presente investigación tuvo su origen en los siguientes pasos: identificar las causas o eventos externos con potencial de provocar una falla en puentes; seleccionar uno de los motivos que originan daños más frecuentemente al tipo de estructuras estudiadas (eventos hidrológicos extraordinarios); reconocer las variables que intervienen en los modos de falla ocasionados por dichos eventos; interrelacionar las variables con base en evidencias registradas en la literatura; y aplicar el modelo a un caso de estudio para verificar su utilidad. Es importante recordar que el modelo está enfocado principalmente a los puentes cuyo obstáculo a vencer son los cauces, aunque también podría ser empleado para puentes expuestos a corrientes de agua en sus subestructuras, independientemente de si cruzan o no ríos. En cuanto al material de construcción, la investigación no se ha limitado a un tipo específico, por lo que el modelo puede analizar tanto puentes de concreto, acero, mampostería y madera, e incluso combinados. La herramienta aquí propuesta, puede servir para programar un plan de mantenimiento que mitigue los riesgos de falla en las obras de interés. Dado que los recursos para la conservación de puentes en México son limitados, se requiere la formulación de un plan de atención apoyado en técnicas más objetivas que las aplicadas en la práctica actual. En este sentido, aunque en el presente documento solo se muestra la parte cualitativa del modelo, los autores ya se encuentran trabajando para cuantificar las variables y la intensidad de sus interrelaciones, lo cual se espera derive en una herramienta cuantitativa confiable para los tomadores de decisiones. Aunado a la creación de modelos teóricos y metodologías como los aquí descritos, es importante promover una cultura de prevención, mitigación y mantenimiento oportuno en torno a los puentes. Por ello, una de las líneas de investigación a futuro, se centrará en la proposición de recomendaciones y actividades, para que los administradores de estas obras puedan prolongar la vida útil de sus estructuras. En particular, se analizarán las siguientes cuestiones: instrumentación del puente para medir desplazamientos y movimientos, monitoreo del cauce, de los grados de erosión y socavación, y medidas para aumentar la seguridad de estructuras con este clase de problemas. Se espera que los resultados de dichas investigaciones se difundan más adelante.

AGRADECIMIENTOS Se agradece tanto a la Universidad Autónoma del Estado de México, como al Consejo Mexiquense de Ciencia y Tecnología por el apoyo brindado para llevar a cabo este trabajo. Asimismo se reconoce la participación de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional

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Autónoma de México, de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura del Instituto Politécnico Nacional, y de la Universidad Tecnológica de Munich, Alemania. Asimismo, se agradece al Dr. Daniel Imhof por haber facilitado la información de su tesis doctoral para realizar el presente trabajo.

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