Caracterizacion del comportamiento de secciones de columnas de pilas prefabricadas de puente

RESUMEN

En eventos sísmicos de importancia, ocurridos en sitios como California (Estados Unidos) y Kobe (Japón), muchos puentes de carreteras de hormigón armado han colapsado o han resultado seriamente dañados provocando pérdidas materiales y humanas y afectando considerablemente las redes viales y por tanto la transportación. Esta realidad ha demostrado la necesidad de implementar estudios de evaluación de la vulnerabilidad sísmica de estructuras construidas localizando los puntos más críticos para buscar soluciones que permitan incrementar la seguridad de estas obras ingenieriles, imprescindibles en las labores de rescate posteriores a la ocurrencia de sismos destructivos (Candebat, 2010).

En este trabajo se caracteriza el comportamiento de las columnas prefabricadas de pilas y estribos de puentes de hormigón armado, específicamente de la tipología cubano – italiana, identificando los esfuerzos que en cada caso determinan el fallo de estos elementos según sus características geométricas y mecánicas a partir de relaciones momento curvatura y diagramas de interacción de sus secciones transversales. Las solicitaciones necesarias para el análisis se obtuvieron de un análisis dinámico modal de variantes de puentes con columnas de pilas y estribos cuadrada y alturas de 4 m, 8 m y 10 m.

Finalmente se demuestra que las columnas analizadas poseen adecuada ductilidad por curvatura y que en la mayoría predominan esfuerzos de flexión.

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ABSTRACT

In some important seismic events occurred in places like California (USA) and Kobe (Japan), many reinforced concrete highway bridges have collapsed or have been severely damaged causing human and material losses and significantly affecting the road network and therefore the transportation. This reality has shown the need to implement studies assessing the seismic vulnerability of these structures in order to locating the most critical points and to look for solutions to increase their safety, because they are essentials in the rescue efforts after a destructive earthquake (Candebat, 2010).

The behavior of precast columns of piers and abutments of reinforced concrete bridges, specifically the cuban – Italian typology is characterized in this research, identifying the efforts in each case determine the failure of these elements according to their geometrical and mechanical characteristics, using moment curvature relationship and interaction diagrams of their cross sections. The stresses required for the analysis were obtained from a modal dynamic analysis of bridges variants with square columns and heights of 4 m, 8 m and 10 m.

Finally is shown that the analyzed columns have adequate curvature ductility and in the most of then tensile stresses prevail.

Introducción

Históricamente, la humanidad ha comprendido la importancia de preservar las estructuras construidas, emprendiendo trabajos para garantizar que perduren en el tiempo con condiciones adecuadas para su funcionamiento.

Conjuntamente con la evolución de las construcciones, la forma en que los fenómenos naturales afectan su estabilidad y seguridad fue formando parte del conocimiento del hombre, el cual se dio a la tarea de lograr diseños cada vez más seguros, encaminados a evitar la ocurrencia de desastres y la perdida de vidas humanas y recursos materiales.

A su vez, el desarrollo de las ciudades ha estado relacionado con el desarrollo de la infraestructura vial. La historia ha demostrado que los pueblos ubicados en zonas de fácil acceso, cercanos a vías de comunicación, eran favorecidos por el paso de las caravanas y redes de comercio que garantizaban el intercambio y por consiguiente incidían positivamente en el desarrollo económico de sus pobladores.

Como parte esencial de estas rutas y caminos fueron apareciendo obstáculos los cuales eran necesario salvar para garantizar el paso hacia otras ciudades de esta manera surgieron estas maravillosas construcciones: los puentes, que a través del tiempo han ido evolucionando, modificando su tipología y buscando nuevas alternativas en cuanto a materiales para garantizar su permanencia aún ante los embates de las fuerzas de la naturaleza.

Se puede afirmar que los puentes condensan en sí mismos la historia de la civilización humana. El diseño, los materiales y tecnología utilizados en su construcción hablan de los vaivenes del tiempo, sus avances y retrocesos, dejándonos bien claro el constante deseo del hombre de vencer obstáculos, salvar barreras naturales que obstruyen el desenvolvimiento de las actividades de los pueblos (Faustinelli, 2005).

Estas razones fundamentan el hecho de que la conservación del patrimonio vial actualmente constituya una prioridad en la estrategia de gestión del riesgo de desastres en Cuba. Mantener la red vial y sus elementos fundamentales, en

condiciones satisfactorias luego de la ocurrencia de un evento natural significativo es vital para garantizar las tareas de rescate y salvamento en las comunidades afectadas, además de que constituye una herramienta para la preservación de esas construcciones de tanto significado para la arquitectura y la ingeniería de cada región afectadas (Candebat et al, 2011).

A través del tiempo estas construcciones han sido severamente dañadas por eventos naturales de importancia por lo que la consideración de estos peligros en sus proyectos constituye una prioridad de los diseñadores. Una amenaza natural de gran significación la constituyen los eventos sísmicos de moderada y gran intensidad pues la actividad sísmica de las últimas décadas ha puesto de manifiesto que los puentes son altamente vulnerables ante la ocurrencia de estos fenómenos, encaminando a los investigadores de todo el mundo a sistematizar el análisis de los problemas existentes y mejorar las normas para garantizar diseños más seguros.

Su construcción además, debe estar en armonía con el medio ambiente circundante pues las obras que requiere su erección constituyen agentes catalizadores de afectaciones significativas a la naturaleza y al hombre. Son numerosos los casos de colapsos de estas estructuras sobre ríos, provocando graves daños en su ecosistema, y provocando modificaciones al movimiento normal de la corriente y en su cauce. Por otra parte las afectaciones al hombre son considerables, pues el fallo estructural pone en peligro la vida de los que transitan por la vía donde se encuentran ubicados o por debajo de estas (Candebat et al, 2009).

A partir del triunfo de la revolución cubana, se realizaron esfuerzos superiores encaminados a garantizar las estructuras viales adecuadas para la comunicación de todas las zonas del país. En la década de 1970 se manifiesta el mayor crecimiento en esta actividad, construyéndose por consiguiente, numerosos puentes con diversas técnicas constructivas y materiales (González, 1998).

Esta prioridad dio lugar al surgimiento de variadas tipologías a partir de la utilización de la prefabricación, técnica que permite el incremento de la producción a partir de la disminución de los tiempos de ejecución de las estructuras permitiendo la erección de gran cantidad de obras, o sea satisfaciendo finalidades económicas, de trabajo y

de rapidez, mejorando la organización, permitiendo la supresión a veces totalmente de falsas obras y encofrado, garantizando un control más eficaz de la calidad, aumentando la mecanización de las labores y por supuesto incrementando la productividad del trabajo. Sin dudas la prefabricación abrió un camino importante en la construcción de puentes en el país, así surgieron tipologías ampliamente conocidas y utilizadas como la Cubano – soviética y la Cubano – italiana, esta última surgida en 1973 para dar respuesta a las necesidades de construcción de la Autopista Nacional.

Ahora bien, en contraposición con este fenómeno, el desarrollo de la actividad de mantenimiento y conservación de estas estructuras en el país no manifestó similar tendencia y como consecuencia de la crisis económica, determinada por el bloqueo impuesto por el gobierno norteamericano contra Cuba, las estructuras construidas no han sido suficientemente atendidas, lo que conjuntamente con el largo período de explotación ha contribuido a su deterioro (Candebat, 2009).

La provincia Santiago de Cuba no está exenta de esta situación por lo que la mayoría de los puentes de su red vial han carecido de mantenimientos preventivos dando al traste con la aparición de deterioros (Candebat, 2009). Ver fotos

Otra aspecto de obligado análisis es la alta sismicidad de la zona oriental de Cuba, la cual ha sido azotada por más de 20 terremotos fuertes, de los cuales 7 han sido de intensidad entre 8.0 y 9.0 grados y 13 de intensidad 7.0 en la Escala MSK (Chuy, 1999).

Además es necesario mencionar que investigaciones precedentes, realizadas por Morejón et al (2006), Candebat et al (2009, 2010) y Candebat (2011, 2012), han demostrado el nivel significativo de vulnerabilidad que poseen las tipologías prefabricadas de puentes construidos en Santiago de Cuba, fundamentado en el hecho de haber sido diseñados en períodos sin desarrollo adecuado de la ingeniería sismorresistente y por tanto con criterios obsoletos que dan a traste con problemas que afectan la ductilidad de sus elementos estructurales, fundamentalmente de las columnas prefabricadas, quedando demostrado por Candebat (2013) que estos elementos poseen muy poca ductilidad y propician la aparición de daños significativos a pequeños desplazamientos.

Esta realidad, asociada al período de explotación, a la falta de trabajos de conservación y además teniendo en cuenta el desarrollo de las normativas vigentes de construcciones sismo resistentes en el país nos permite definir como problema de investigación que: los puentes prefabricados de hormigón de Santiago de Cuba poseen una alta vulnerabilidad sísmica como consecuencia del inadecuado comportamiento de sus columnas de pilas y estribos, situación acrecentada por el estado técnico que poseen, aspectos que precisan la importancia de las investigaciones encaminadas al conocimiento del estado técnico de los puentes y al análisis de otros factores que influyen de manera determinante en el incremento de su vulnerabilidad, pues en función de este conocimiento será posible adoptar soluciones para mitigar los problemas detectados e incrementar la seguridad de las estructuras, por lo que objeto de investigación lo constituye: la conservación de puentes prefabricados de hormigón en zonas sísmicas.

En estas estructuras, las fallas de vigas del tablero afectarán solamente a una parte del tablero, pero si falla una columna, el daño a la estructura es más significativo.

Las columnas son los elementos estructurales en los cuales se apoyan los puentes por lo que para su diseño se necesita de un análisis más profundo para soportar las acciones sísmicas, son miembros de sistemas estructurales denominados pórticos y

resisten en parte los momentos en los apoyos de las vigas, debido a estos momentos y excentricidades imprevistas en la construcción de las estructuras es que existe la flexión (Morán, 2009).

Para un mejor diseño de las columnas existen herramientas que ayudan a los ingenieros a prevenir el comportamiento de estos elementos ante un sismo: las relaciones momento – curvatura y los diagramas de interacción.

Los diagramas de interacción son curvas que permiten definir el momento y la carga de falla de la columna en el intervalo completo de excentricidades desde cero hasta el infinito, definiendo de esta manera la carga y el momento de fallo para determinada columna. Para cualquier excentricidad existe un solo par de Pn y Mn que producirán un estado inminente de falla y este par de valores puede dibujarse como un punto del diagrama (Morán, 2009).

La importancia de las relaciones momento-curvatura radica en que permiten predecir los valores de sobre resistencia en los niveles de diseño de rotación plástica; es decir que con las curvas Momento-Curvatura se puede hacer una aproximación bilineal que determina la curvatura de fluencia y la curvatura última obteniendo a través de su diferencia la capacidad de curvatura plástica y con su cociente la capacidad de ductilidad del miembro, la misma que nos permite predecir el comportamiento de las columnas de la estructura ante la presencia de sismos.

Teniendo en cuenta la necesidad de utilizar estas herramientas de análisis en la caracterización de las columnas de los puentes prefabricados de las carreteras de interés nacional de Santiago de Cuba, se adoptó como Objetivo general:

Caracterizar el comportamiento de las columnas prefabricadas de pilas y estribos de la tipología de puentes cubano italiana, utilizada en las carreteras de mayor importancia de Santiago de Cuba, a partir de la elaboración y análisis de diagramas de interacción y gráficos de relación de momento – curvatura de sus secciones transversales.

Como Campo de investigación se determina la caracterización del comportamiento de columnas prefabricadas de puentes para facilitar la estimación de daños en estos elementos.

Objetivos específicos:

• 1. Analizar como ha sido el comportamiento de los puentes de hormigón armado ante acciones sísmicas fuertes en países que ha sido afectados por estos eventos.

• 2. Analizar los criterios teóricos que fundamentan el análisis del desempeño sísmico de puentes, el análisis no lineal y la elaboración de los diagramas de interacción y relaciones momento curvatura.

• 3. Obtener diagramas de interacción y relaciones momento – curvatura a partir del análisis de las secciones transversales de las columnas y empleando el software XTRACT versión 3.01.

• 4. Caracterizar el comportamiento de las columnas prefabricadas de la tipología cubano – italiana de puentes, a partir del análisis de los diagramas de interacción y relación momento – curvatura obtenidos, determinando los esfuerzos que predominan.

Hipótesis: la obtención de diagramas de interacción y relaciones momento – curvatura de columnas prefabricadas de hormigón armado de la tipología de puentes cubano – italiana permitirá caracterizar su comportamiento identificando los esfuerzos que predominan y determinan el fallo estructural.

Aporte práctico: Gráficos momento – curvatura y diagramas de interacción de columnas prefabricadas de puentes.

Aporte teórico: La caracterización del comportamiento sísmico de columnas prefabricadas de puentes.

Novedad científica y actualidad:

Se presentan diagramas de interacción y gráficos momento – curvatura de columnas prefabricadas de puentes que permiten identificar las solicitaciones que determinan su comportamiento ante acciones sísmicas y propician el fallo estructural.

La investigación realizada se inserta en la estrategia de mitigación de desastres en Cuba, la directiva 1 del Presidente del Consejo de Defensa Nacional y las prioridades del gobierno como parte de los estudios de Peligro, Vulnerabilidad y Riesgo sísmico en el país. Forma parte además del programa de medioambiente del CITMA.

Tareas de investigación

• 1. Evaluar el comportamiento de los puentes prefabricados de hormigón, de vigas, de carreteras ante sismos significativos en el mundo identificando los daños más comunes observados.

• 2. Identificar los principales deterioros que presentan las estructuras prefabricadas de hormigón, de vigas, ubicadas en las carreteras de interés nacional de Santiago de Cuba.

• 3. Modelar, utilizando el software SAP 2000 v 14, los puentes a estudiar, para obtener las solicitaciones de Axial necesarias para la obtención de los gráficos y la caracterización del comportamiento de las columnas prefabricadas.

• 4. Elaborar los gráficos de relación momento – curvatura y los diagramas de interacción.

• 5. Caracterizar, utilizando los gráficos obtenidos, el comportamiento de las columnas prefabricadas de puentes.

Métodos de investigación:

• Método histórico – lógico.

• Análisis – síntesis.

• Observación y experimentación.

• Métodos estadísticos.

• Método inducción _ deducción.

Estructura de la tesis (CAPÍTULOS): El desarrollo se estructurará en tres capítulos.

En el capítulo I se realiza un análisis de la clasificación actual de los puentes. Se muestra información acerca del comportamiento de los puentes ante eventos sísmicos fuertes ocurridos en el mundo, comentando las causas que han provocado la mayor cantidad de daños en estas estructuras. Se ejecuta, además, una

evaluación del estado técnico de los puentes ubicados en las carreteras de Santiago de Cuba demostrando la necesidad de realizar estudios para mitigar el nivel de vulnerabilidad sísmica estructural que poseen y finalmente se realiza un análisis de las diferentes metodologías utilizadas para la estimación de este parámetro, evaluando las consideraciones que se asumen para la ejecución de estudios detallados del comportamiento no lineal de estas estructuras. Así mismo se analizan los aspectos teóricos que fundamentan la elaboración de diagramas de interacción y relaciones momento curvatura.

En el capítulo II se establece la metodología utilizada para la elaboración de los diagramas de interacción y relaciones momento curvatura y se muestra la forma de emplear el software XTRACT para la obtención de estas gráficas y del SAP 2000

V.14 para el análisis de las solicitaciones en las estructuras.

En el capítulo III se muestran los gráficos obtenidos y se caracteriza el comportamiento de las columnas prefabricadas de puentes de hormigón armado, identificando los esfuerzos que en cada caso determina el fallo de estos elementos según sus características geométricas y mecánicas.

CAPITULO I:

Comportamiento de puentes de hormigón armado en zonas sísmicas. Estado del arte

En este capítulo se realiza un análisis de la clasificación actual de los puentes. Se muestra información acerca del comportamiento de los puentes ante eventos sísmicos fuertes ocurridos en el mundo, comentando las causas que han provocado la mayor cantidad de daños en estas estructuras. Se ejecuta, además, una evaluación del estado técnico de los puentes ubicados en las carreteras de Santiago de Cuba demostrando la necesidad de realizar estudios para mitigar el nivel de vulnerabilidad sísmica estructural que poseen y finalmente se realiza un análisis de las diferentes metodologías utilizadas para la estimación de este parámetro, evaluando las consideraciones que se asumen para la ejecución de estudios detallados del comportamiento no lineal de estas estructuras.

1.1 Puentes. Clasificación

En la construcción de una vía, ya sea carretera o ferrocarril, se presentan ciertos obstáculos que han de ser salvados, siendo sustituido el terraplén por una estructura: el puente.

Los puentes en general no son más que obras de fábrica concebidas con el objetivo fundamental de sustentar un camino, una carretera o una vía férrea, pero que también pueden ser diseñados para servir de apoyo a sistemas de tuberías y líneas de distribución de energía.

A través de la historia la construcción de estas obras de la ingeniería ha ido evolucionando, dando lugar a construcciones muy sencillas con materiales locales de fácil adquisición pero también a mega estructuras que han constituido maravillas de la ingeniería civil del mundo moderno.

Estas obras de ingeniería son clasificadas según los siguientes parámetros.

• Atendiendo a su utilización.

• Atendiendo a los materiales.

• Atendiendo a la tecnología constructiva empleada.

• Atendiendo a las características del obstáculo a salvar.

Pero, estas no son las únicas clasificaciones que existen ya que también se valoran aspectos como su geometría y tipos de elementos estructurales utilizados entre otros.

• Comportamiento de los puentes de hormigón ante acciones sísmicas

El fallo de los sistemas de transportes en países afectados por sismos destructivos, ha sido ocasionado, generalmente, por el colapso de puentes de hormigón armado, diseñados por códigos obsoletos; por lo tanto, es necesario evaluar el comportamiento de los sistemas existentes, que pudieran tener una capacidad descarga sísmica reducida, para definir futuros programas de rehabilitación (Gómez et al, 2002).

El análisis de los daños ocasionados por eventos sísmicos de gran intensidad, ha mostrado los puntos más susceptibles de este tipo de estructuras. Candebat (2012) comenta en su tesis doctoral que, según el análisis realizado por Priestley et al (1996) y Kawashima (1990), las fallas más comunes han sido:

• Fallos de tramos como consecuencia de movimientos relativos a la dirección longitudinal, que exceden las longitudes de apoyo.

• Hundimiento del estribo debido a la incompleta consolidación del terraplén o relleno del estribo.

• Fallos de pilas provocadas por la existencia de elementos con inadecuado o no confiable resistencia a la flexión, imperfecta ductilidad a la misma y terminación prematura del refuerzo de la pila.

• Fallo en cabezal a partir de considerar poca capacidad al cortante y terminación prematura del refuerzo negativo del cabezal.

• Fallas en nudos, debido al inadecuado refuerzo que se ha utilizado así como la falla en los cimientos como resultado de la omisión del refuerzo superior (malla de refuerzo).

• Poca capacidad al cortante en la zona inmediata de la pila, la cual está sometida a grandes esfuerzos de cortantes, anclaje inapropiado e incorrecta conexión entre las pilas y el cimiento.

Según Aguiar, (2010), una de las causas de los serios daños observados en Chile durante el sismo del 27 de febrero de 2010, fue la no existencia de vigas transversales (diafragma) que les permitiera soportar de forma adecuada la fuerza actuante en la dirección transversal del puente y sobre todo que garantizara mantener la geometría del tablero con una rigidez apropiada. También se manifestaron daños como consecuencia de la inadecuada colocación de las barras de anclaje vertical para propiciar la unión entre las vigas del tablero y las pilas de las estructuras.

Otros problemas analizados por este autor fueron:

• Incorrecta colocación de los apoyos de neopreno.

• Fenómeno de la socavación.

• Falta de las trabas sísmicas para evitar el movimiento transversal de las vigas del tablero y por tanto evitar su caída.

• Pequeña longitud de apoyo de las vigas sobre los cabezales de pilas.

Esta situación ha puesto de manifiesto la alta vulnerabilidad que presentan los puentes de hormigón ante acciones generadas por eventos sísmicos fuertes y la necesidad de tomar medidas para su rehabilitación. En las imágenes a continuación se observan algunos de los daños descritos.

En eventos sísmicos de importancia, ocurridos en ciudades como California y Alaska (Estados Unidos), Kobe (Japón), Costa Rica, Colombia y Chile, muchos puentes de carreteras de hormigón armado, diseñados a partir de códigos relativamente modernos, han colapsado o han resultado seriamente dañados provocando pérdidas materiales y humanas y afectando considerablemente los sistemas de transporte. El terremoto de Costa Rica del 22 de abril de 1993 brinda un ejemplo al respecto. El evento que registró una magnitud de 7.2, afectó severamente la infraestructura de transportes del país debido al colapso de gran cantidad de estructuras

En el sismo de Northridge del 1 de enero de 1994, se reportaron una sexta parte de puentes dañados y se tuvieron 7 colapsos totales o parciales, todos clasificados como tramos o viaductos elevados. Además, la mayoría de los puentes restaurados, tuvieron un comportamiento adecuado, lo cual revelo la aceptación de lecciones aprendidas. (Foto 1)

En el sismo de Kobe del 17 de enero de 1995, se experimentaron fuertes daños y colapsos, sobre tramos elevados de importantes vías de transporte masivo. (Fotos 2 a y b). Lo mismo ocurrió en el Terremoto de Chi-Chi 1999. Taiwán. (Fotos 3)

En Alaska se detectaron fallas de puentes durante los sismos pasados como en el terremoto del 27 de marzo del 64 que derrumbo aproximadamente 9 estructuras y ocasionó daños graves en otros 26; durante el fuerte sismo de Niigata (Japón) del 16 de junio del mismo año, se experimentaron grandes movimientos de las pilas de los puentes Banyo y Showa; el sismo de San Fernando (California) del día 9 de febrero del 71, afectó 62 puentes con un 25% de daños muy severos o ruina total (Fotos 4 a y b y Foto 5); e igualmente se tuvieron daños muy graves en puentes durante los terremotos de Guatemala (1976); Friuli en Italia (1976); Miyagi-Ken-Oki, Japón 1978 (Priestley et al,1996).

Numerosos puentes han sufrido colapsos debido a la falla de la subestructura y de la fundación. En muchos casos, las pilas han desaparecido bajo el nivel del agua debido a la licuefacción y a la pérdida de capacidad portante del suelo subyacente, como ocurrió durante el terremoto del centro de Chile en 1985

Los suelos pluviales blandos y saturados son propensos al fenómeno de licuefacción durante sismos y tienden a amplificar la señal sísmica, lo cual conlleva mayores desplazamientos laterales. El asentamiento y volteo de las pilas es también una característica de la falla de la cimentación de puentes.

Una investigación post-sísmica, realizada por investigadores colombianos, sobre 4157 tramos, 3396 pilas y 5741 líneas de apoyo, reveló serios daños en las pilas de acero (14%) y concreto (13%), manifestándose mayormente los daños en las pilas construidas antes de 1964, con graves fallas de apoyo de un (28%) y movimientos de

fundaciones, donde el mayor énfasis, lo tuvo la gran magnitud de la fuerza sísmica, que supero los requerimientos normativos. Un efecto sísmico importante, fue el movimiento longitudinal no sincrónico de tramos largos y elevados, causando por los desplazamientos fuera de fase, con resultados catastróficos. Además se detectaron en las pilas de hormigón armado, diversos problemas como:

• Por flexión en las bases, debido al inadecuado refuerzo de confinamiento transversal; por flexión en secciones intermedias, por falta de solape del acero longitudinal; por cortes en las pilas y vigas del cabecero y por colocación inadecuada del refuerzo transversal y rupturas de barras soldadas y falta de anclaje de estribos sin ganchos o soldaduras.

A partir de este análisis y mejorando la ductilidad en las columnas de pilas y estribos abiertos, se estableció en el código de 1980, añadir a la longitud de las barras longitudinales de estos elementos, su dimensión más 20 veces el diámetro, con resultados favorables durante los sismos.

Foto 1. Falla por flexión y corte en la mitad de la altura de la pila, debido a la terminación prematura del refuerzo longitudinal durante el Terremoto de Kobe. (Tomada de Priestle y,Seible y Calvi, 1996)

a) b)

Fotos 2 a y b. Falla de pila por cortante .Kobe 1995

a) b)

Fotos 3 a y b. Falla frágil por cortante en pila como consecuencia de inadecuado refuerzo. Terremoto de Chi-Chi 1999. Taiwán

a) b)

Fotos 4 a y b: Ejemplos de fallas por cortante en el terremoto de Northridge. (Tomada de Priestley, Seible y Calvi, 1996 ).

Foto 5: Falla por cortante dentro de la región de la articulación plástica en el terremoto de San Fernando. (Tomada de Priestley, Seible y Calvi, 1996).

Esta realidad ha demostrado la necesidad de implementar estudios de evaluación de la vulnerabilidad sísmica de este tipo de estructuras localizando los puntos más críticos para buscar soluciones que permitan incrementar la seguridad de estas obras ingenieriles, imprescindibles en las labores de rescate posteriores a la ocurrencia de sismos destructivos (Candebat, 2012).

Los conocimientos adquiridos a partir de las experiencias vividas y de los daños observados en todo el mundo han precisado a los profesionales de la ingeniería sísmica a realizar estudios para determinar el comportamiento de los puentes. Investigadores y profesionales de todo el mundo han propuesto metodologías para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de puentes carreteros construidos, teniendo en cuenta sus características, ubicación, año de construcción y otros aspectos que determinan el comportamiento de estas estructuras ante sismos de moderada y gran intensidad.

• Los puentes de carretera en la Isla de Cuba. Su evolución

El desarrollo de la construcción de puentes en Cuba comienza desde el período de la dominación española, por lo que en sus carreteras se observan estructuras de diversas tipologías y materiales como madera, ladrillo, piedra, hierro, acero, hormigón armado y hormigón pretensado.

Entre 1927 y 1931 se construye la Carretera Central, vía de extraordinaria importancia para la economía y la sociedad cubana, ejecutándose gran cantidad de puentes, fundamentalmente construidos de hormigón armado y/o acero, posteriormente, como parte del desarrollo de la infraestructura vial, a finales de la década del 40, aparecen nuevas técnicas como el prefabricado y se comienza a utilizar el hormigón pretensado, dando lugar a la construcción de estructuras que en su momento constituyeron logros de la ingeniería civil cubana e incluso se ubicaron entre las mayores de su tipo en el mundo (Candebat et al, 2011)

A partir del triunfo de la revolución se acomete la construcción de numerosas vías con el objetivo de garantizar la comunicación entre todas las comunidades de la isla y motivado por el desarrollo de nuevos planes agrícolas e industriales que exigían una red vial renovada y más completa, evidenciándose, sobre todo a partir de 1970, un desarrollo notable del prefabricado, el hormigón pretensado y sobre todo de la tipificación (González, 1999 y Taylor y Valdés, 1990).

1.3.1 Los puentes de las carreteras de Santiago de Cuba. Estado técnico constructivo actual.

La realidad de la falta de una buena política de mantenimiento y conservación del patrimonio vial de la provincia se manifiesta en los puentes, estructura esencial para la comunicación de la región Sur Oriental con el resto de País. Esta realidad junto el bloqueo económico impuesto a nuestro país limita la conservación de los puentes y en específico la tipología cubano- italiana utilizada por más de cuatro décadas en carreteras de mayor importancia para el territorio, como la Autopista Nacional y la Carretera Granma, diseñada para este tipo de carretera y se generaliza el empleo del hormigón pretensado, la cual se caracterizada por el uso de elementos prefabricados en la superestructura y subestructura, salvo, en este último caso, cuando las columnas de pilas y estribos son mayores de 14 metros que entonces son construidas hormigonadas in situ (Candebat et al, 2011).

En las vías antes mencionadas, que por ser consideradas de importancia vital para el desarrollo económico, social y político del territorio, atraen la atención de especialistas e investigadores que durante varios años han acometido el estudio de sus obras de fábrica, se observan estructuras con un estado técnico de regular a malo, caracterizados por los problemas que se mencionan a continuación (Candebat, 2012).

• 1. Socavación local avanzada al pie de pilas y estribos (Fotos 6 a, b y c)

• 2. Fallos en las losas del tablero, agrietamiento y acero expuesto.

• 3. Fallos en el aproche como consecuencia de la socavación y la erosión del material.

• 4. Falta de recubrimiento y acero expuesto y oxidado en elementos del pretil.

• 5. Longitud de apoyo inadecuada, menor que la establecida por la norma cubana vigente, principalmente en puentes en esviaje y en curvas y fundamentalmente en las zonas de apoyo en las pilas ( Fotos 7 a y b).

• 6. Juntas entre tramos isostáticos en muy mal estado (Fotos 8 a, b, c y d).

Es importante destacar que en la provincia no ha ocurrido en evento sísmico de gran magnitud que someta los elementos componentes de los puentes a la acción destructiva de la naturaleza por lo que los daños existentes son debido a los años de explotación, problemas constructivos ya mencionados, las crecidas de los ríos y la falta de mantenimiento. El elemento esencial de cualquier puente son las pilas o

columnas por lo cual se le dará un tratamiento especial de sus daños en Santiago de Cuba.

• a) b) c)

Fotos 6 a, b y c . Socavación al pie de pilas en puentes. a) Puente sobre río Bagua, Autopista Nacional. b) Puente sobre río La República. Autopista Nacional. c) Puente sobre río Peladero. Carretera Granma. Fuente: Fuente: Darío Candebat Sánchez.

a) b)

Fotos 7 a y b. Longitudes de apoyo menores que las establecidas por la NC 46:1999.

a) Puente sobre río La República. Autopista Nacional. b) Puente sobre río San Juan. Carretera Santiago de Cuba – Siboney. Fuente: Darío Candebat Sánchez.

a) b) c) d)

Fotos 8 a, b , c y d. Juntas entre tramos isostáticos en muy mal estado. a) Puente sobre río Bagua. Autopista Nacional. b) Puente sobre río Guamá I. Carretera Granma.

c) Puente sobre río Cauto. Autopista Nacional. Puente sobre río Guamá II. Carretera Granma. Fuente: Fuente: Darío Candebat Sánchez.

• Estudio de la peligrosidad sísmica de Santiago de Cuba.

La ocurrencia de terremotos en Cuba data del siglo XVI, pero no es hasta 1855 que Andrés Poey muestra con su Catálogo de Sismos Históricos que el Archipiélago Cubano está sometido a un peligro sísmico potencial. A partir de este momento son muchas las investigaciones sismológicas que se han realizado, teniendo como principal objetivo establecer los diferentes niveles de peligro sísmico en el país. La actividad sísmica de Cuba está determinada por dos formas de origen: de interior de placa y de entre placas, lo que hace que su estudio sea muy complejo en algunas áreas.

En el primer tipo se destaca la Región Suroriental por la frecuencia con que históricamente ocurren terremotos de alta magnitud, lo que implica que sea considerada como la de mayor peligrosidad sísmica del país y se corresponde con la Zona Sismogénica de Bartlett-Caimán, donde se han reportado 22 terremotos fuertes, de ellos 20 en la provincia de Santiago de Cuba y los dos más recientes en la provincia de Granma (Chuy, 1999).

Nos referiremos específicamente a la sismicidad de la región de Santiago de Cuba por ser el área de estudio. De los 961 sismos perceptibles del país (Chuy, 1999), 537tuvieron epicentro en la provincia de Santiago de Cuba; esta ciudad desde su fundación en 1514 hasta nuestros días ha sido total o parcialmente afectada por terremotos fuertes.

Es bueno significar que de estos sismos fuertes con origen en la estructura señalada, cercanos a la ciudad de Santiago, 2 de ellos produjeron intensidad (I) de 9.0 MSK en1766 con magnitud M = 7.6 Richter y en 1852 con magnitud M respectivamente (Chuy, 1999). Se reportaron daños considerables en toda la región oriental y en el caso de la ciudad de Santiago de Cuba se produjeron varias afectaciones; por ejemplo el terremoto del 20 de Agosto de 1852, el más fuerte reportado durante el siglo XIX en nuestro país, provocó el deslizamiento general de grandes piedras en la zona de la Sierra Maestra, el secado de arroyos y manantiales, así como largas y anchas grietas en terrenos secos y húmedos. Cabe señalar que las mayores

destrucciones descritas en edificaciones fueron principalmente en las iglesias y locales de la administración pública. (Chuy, 1999).

Otros terremotos que recientemente han afectado a esta ciudad, pero con menor fuerza se reportan en 1932 (M= 6.75; I = 8.0) y en 1947 (= 6.75; I = 7.0), (Chuy, 1999). En el primero fueron afectadas el 80% de las edificaciones de la ciudad y sus alrededores; además se reportaron alteraciones batimétricas frente a la costa, tanto de emersión al Este de la bahía de Santiago de Cuba, como de inmersión oeste de la bahía.

La Figura 1 representa las Zonas de Origen de Terremotos (ZOT) para la Región Oriental (Comisión Ad-hoc, 1997), las cuales influyen directamente en la ocurrencia de terremotos en la región. A cada zona se le asocia una magnitud determinada. Al Sur tenemos la zona Bartlett – Caimán (Oriente 1,2 y 3); la zona Cauto-Nipe y Baconao, y Cauto Norte, Bayamo y Purial.

Figura 1. Esquema de Zonas Sismogénicas de la región Oriental de Cuba. La zona de fallas Oriente se observa en color rojo en la parte baja de la figura. Tomado de Chuy et al, 1997

La región Suroriental de Cuba se encuentra en la zona de influencia de la falla Oriente, conocida también como Bartlett – Caimán, la cual constituye un límite de placas significativo en la región del Caribe. Esta falla es la zona sismogénica más activa del territorio cubano, con un movimiento diferencial de alrededor de 20mm/año.

En relación con la actividad reciente manifestada en esa región del archipiélago cubano (Año 2013), en la Figura 2 se muestra la distribución espacial de los terremotos reportados por la Red de estaciones sismológicas del Servicio Sismológico Nacional de Cuba (SSNC), en este período.

Figura 2. Actividad sísmica registrada en el 2013 en cuba. Fuente: Fuente: SSNC (2013).

• Análisis del comportamiento sísmico de puentes de hormigón armado. Metodologías y procedimientos utilizados.

Los métodos de inspección para detectar puentes de carreteras vulnerables a la acción de eventos sísmicos han sido desarrollados y modificados en muchas ocasiones y reflejan el progreso alcanzado en la ingeniería sísmica y las lecciones aprendidas de daños provocados por sismos en el pasado.

La vulnerabilidad interviene de forma determinante en el riesgo sísmico que posea la estructura analizada por tanto su evaluación y posterior mitigación constituye la mejor manera de disminuir el riesgo y garantizar la seguridad de las obras y la vida de las personas teniendo en cuenta la imposibilidad de intervenir en la reducción de la amenaza natural existente en la zona de emplazamiento de las obras de ingeniería (Candebat, 2012).

La vulnerabilidad no es más que el grado de predisposición de estructuras u obras a ser afectadas por determinado fenómeno peligroso, natural o antrópico, de una magnitud dada, en este caso la vulnerabilidad sísmica se refiere a la susceptibilidad de los puentes y edificaciones a sufrir daños y/o colapsos debido a la actuación de eventos sísmicos significativos.

Existen diferentes procedimientos para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica estructural de puentes de hormigón. Estos se clasifican en dos métodos principales.

• Métodos Subjetivos

• ?Métodos Analíticos.

Los métodos subjetivos deben su clasificación a la manera de obtener los resultados de la evaluación, pues en su aplicación tiene significativa importancia la observación de daños ocurridos a estructuras similares ante eventos sísmicos fuertes en el mundo y además interviene de forma decisiva la opinión de los llamados expertos, especialistas de gran experiencia en el tema que pueden llegar a definir la importancia de cada una de las características de la estructura en su probable comportamiento ante estos eventos.

Una de las metodologías incluidas en esta clasificación es la elaborada por Kawashima (1990), el cual, a partir de la observación de los daños sufridos por más de 100 puentes propone los parámetros que en su consideración decidieron el desempeño manifestado por estas estructuras. La vulnerabilidad sísmica Kawashima (1990) la define en tres rangos o categorías en función de la probabilidad de daños y categoría del grado de daño probable a ocurrir.