EVALUACIÓN Y DIAGNÓSTICO DE UN PUENTE ATIRANTADO
Una visión desde la CIVIÓNICA
24 de septiembre de 2012
Instituto Mexicano del Transporte
Dr. Francisco J. Carrión V.
• Antecedentes
• Inspección No Destructiva
• Rehabilitación del Puente
• Estudio de confiabilidad
• Instrumentación y Monitoreo Remoto
• Civiónica, ¿Visión moderna de la Ing. Civil?
• Conclusiones
INDICE
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Antecedentes
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Puente Río Papaloapan Ubicación: Km 85+980 Carretera La Tinaja-Acayucan, Ver. Tipo: Atirantado con 8 semi-arpas y 112 tirantes Longitud total: 407 metros Claro: 203 metros Construcción: 1993-1994 Puesta en servicio: 1994
Antecedentes
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Puente Río Papaloapan
Antecedentes
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Puente Río Papaloapan
Ensamble del anclaje superior utilizado en el sistema de cables del puente Río Papaloapan
Diseño Antes de la instalación
Antecedentes
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Puente Río Papaloapan
En enero 2000, ocurre la falla del elemento de anclaje superior del tirante 11, torre 3, lado agua, aguas arriba.
Antecedentes
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Puente Río Papaloapan
Análisis de falla
Sección del elemento con alto contenido de poros
Micro-estructura del elemento de anclaje superior
Antecedentes
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Puente Río Papaloapan
Propiedades
Especificación Valor de Diseño Valor Experimental
Esfuerzo de cedencia 345 MPa 360 MPa
Esfuerzo último ruptura 550 MPa 600 MPa
Elongación 22% 3%
Tenacidad ~ 50 MPa m 26 MPa m
Velocidad de crecimiento de grietas (m)
4 - 6 10.9
Composición química ASTM A-148 ASTM A-148
Antecedentes
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Puente Río Papaloapan
Diagnóstico de la falla • El acero no cumple con las especificaciones técnicas
requeridas: baja tenacidad y alto contenido de poros e inclusiones.
• Causa: Deficiencias en el proceso de fundición y tratamiento térmico.
¿Cuál es la probabilidad de que ocurra otra falla?
Inspección No Destructiva
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Dificultades: Los elementos de anclaje están casi totalmente embebidos en el concreto y cubiertos por el capuchón que sujeta el tirante.
Las deficiencias de los elementos de anclaje están relacionadas con la micro-estructura del acero.
Inspección No Destructiva
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Reflejo de pared posterior de un material con tamaño de
grano ASTM 1 y 2
Reflejo de pared posterior de un material con tamaño de
grano ASTM 7 y 8
Pruebas por Ultrasonido
Inspección No Destructiva
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Pruebas por Ultrasonido
Haz recto Haz angular a 45° para
zona interna
Haz angular a 45° para la soldadura
Inspección No Destructiva
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Resultado
Deficiencia Estructural Número de
elementos
Tipo de
elemento
Tamaño de grano grande
(ASTM 2) 8 2
Alto contenido de poros 2 1 y 3
Probable tamaño de grano
grande 6 2
Inspección No Destructiva
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CONCLUSIONES DEL ESTUDIO DE 2003
• Reparar los 16 elementos de anclaje superior identificados como estructuralmente disfuncionales.
• Asegurar la integridad del puente con un estudio de
confiabilidad. Para ello, fue necesario sustituir 4 elementos clasificados como “buenos” para obtener información estadística de sus propiedades y poder realizar el estudio probabilístico de confiabilidad estructural para los 92 elementos restantes.
Rehabilitación del puente
Tirante en operación Pesaje Destensado
Inspección con PND Remoción de concreto Inspección en
laboratorio
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Rehabilitación del puente
16
Rehabilitación del puente
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Resultados
• 17 de las 20 calificaciones hechas en 2003 fueron acertadas (85%).
• Los errores se presentaron en:
• 2 elementos de anclaje calificados con grano “fino”, resultaron ser de tamaño de grano “mediano”.
• 1 elemento de anclaje identificado con tamaño de grano “probablemente grande”, fue de grano “fino”, pero con alto contenido de defectos internos.
• Se obtuvieron datos estadísticos de los 4 elementos de
anclaje “buenos” para el estudio de confiabilidad.
Estudio de Confiabilidad
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Estudio de Confiabilidad
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Proceso de Simulación Monte-Carlo
Estudio de Confiabilidad
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Índice de Confiabilidad antes de la rehabilitación
Estudio de Confiabilidad
21
Índice de Confiabilidad después de la rehabilitación
Estudio de Confiabilidad
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Resultados
• Los trabajos de rehabilitación incrementaron la vida útil del puente en más de un 40%, considerando crecimientos en el tránsito de 4% a 6% anual.
• Si bien, se ha incrementado la vida útil del puente, el resultado
no es totalmente satisfactorio. • Para garantizar la integridad del puente, se propone un
programa de monitoreo remoto continuo.
Sistema de Gestión de
Puentes
Instrumentación de
Puentes
Monitoreo Remoto
Socavación
Puentes Tipo
Corrosión
Programa Integral
de Puentes
Instrumentación y Monitoreo Remoto
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Crear una plataforma de alta tecnología que permita dar seguimiento detallado del comportamiento estructural de los puentes más importantes de México, en tiempo real.
Facilitar la evaluación y detección de daño, en especial, después de la ocurrencia de eventos extraordinarios.
Aumentar la eficiencia y eficacia de los trabajos de conservación y del ejercicio de su presupuesto.
Evaluar estructuralmente a los puente en construcción para prevenir desastres o como herramienta de aseguramiento de la calidad.
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Instrumentación y Monitoreo Remoto
Contar con modelos que sirvan para estimar la capacidad de carga y vida útil de las estructuras.
Complementar el alcance del Sistema de Gestión de Puentes.
Inspecciones y monitoreo in situ del resto del inventario de puentes mediante laboratorios móviles.
Proporcionar información estadística necesaria para la elaboración de modelos económicos para la conservación de los puentes.
Asignar prioridades a la conservación de puentes en forma eficiente.
Utilizar puentes como pesadoras dinámicas, para la vigilancia del peso de los vehículos de carga.
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Instrumentación y Monitoreo Remoto
Completar, con el sistema de gestión de pavimentos, y/o un centro de monitoreo y diagnóstico de carreteras.
Integrar sistemas inteligentes de control e información en carreteras (ITS).
Identificar zonas de riesgo o vulnerables en la red de carreteras, para implantar planes de emergencia en casos de accidentes o desastre.
Vigilancia en las carreteras por necesidades de Seguridad Nacional.
Convertirse en el centro estratégico para la operación de la red carretera mexicana.
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Instrumentación y Monitoreo Remoto
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Puente instrumentado
Monitores de
despliegue
Estaciones de
trabajo para
análisis y
procesamiento
Periféricos
Ter
min
ale
s o
PC’s
pa
ra o
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aci
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Servidor de
control
Un
ida
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ace
na
mie
nto
Servidor Web
Laptop para acceso
inalámbrico a los
sistemas locales
instalados en los
puentes
Sistema
de alerta
inmediata
Instrumentación y Monitoreo Remoto
Eventos Extraordinarios Sismos Vientos extremos Accidentes Sobrecargas Lluvias intensas
Eventos ordinarios Fatiga Socavación Corrosión Deterioro Desgaste
Ce
ntr
o d
e M
on
ito
reo
de
Pu
en
tes
Actuación inmediata
Actuación de Corto Plazo
Actuación Preventiva
DGCC DGST CAPUFE Operador IMT Protección Civil Policía Federal
DGCC DGST CAPUFE Operador IMT Contratista
DGCC DGST CAPUFE Operador IMT y universidades Contratistas
Alarma
Diagnóstico
Análisis de tendencias y daño
Instrumentación
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Instrumentación y Monitoreo Remoto
Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes
Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes de la SCT
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Instrumentación y Monitoreo Remoto
PUENTE RÍO PAPALOAPAN
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Instrumentación y Monitoreo Remoto
2 Puentes con superestructura de trabes presforzadas
CMPEI
2 Puentes con superestructura de
nervaduras
2 Puentes con superestructura de trabes metálicas
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Instrumentación y Monitoreo Remoto
Puentes Tipo
Se reconoce como la causa que provoca más fallas en los puentes de México.
El problema se relaciona principalmente con la ubicación, cimentación, año de construcción, tipo de suelo, y condiciones ambientales.
Se ha agravado con el incremento en la intensidad de las lluvias (cambio climático).
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Socavación
Instrumentación y Monitoreo Remoto
Instrumentación en apoyos con sensores de aceleración (acelerómetros) en los 3 ejes (x, y, z), para medir amplitudes y frecuencias de vibración.
Detectar variaciones en el modo de vibrar de los apoyos y calificar los cambios en la base de los apoyos debidos a la socavación.
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Acelerómetro 3D
Sistema Local
Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes
SCT-IMT
Instrumentación y Monitoreo Remoto
Instrumentación en los estribos con inclinómetros en 2D (x, y), para medir variaciones en la posición.
Detectar microdesplazamientos en los estribos y calificar los cambios debidos a la socavación.
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Inclinómetro 2D
Sistema Local
Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes
SCT-IMT
Instrumentación y Monitoreo Remoto
Civiónica, ¿Visión moderna de la Ing. Civil?
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CIVIÓNICA
Término acuñado por el Prof. Aftab Mufti, de la Universidad de Manitoba. Fundador de la International Society for Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure (ISHMII).
Responsable del proyecto ISIS Canada, cuyo objeto era desarrollar nuevos diseños, aplicaciones y tecnologías a la ingeniería estructural de Canadá (involucró a más de 10 universidades y centros de investigación). En 2010 distinguido por “The Order of Canada”, el más alto reconocimiento que puede recibir una persona en ese país y la primera vez que un ingeniero es nominado.
Puente Elba – Alemania - 1936
Puente Portage Creek Canadá – 1983
Ingeniería Aeronáutica + Aviónica
Aviación Puentes Época
1900+
1950+
2000
Aviónica + Ingeniería Aeronáutica
Avro Canada CF-105 Arrow - 1957
Ingeniería Estructural de Puentes
Civionica + Ingeniería Estructural
de Puentes
Fleetster V-1A - 8-pasajeros - 1932
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Civiónica, ¿Visión moderna de la Ing. Civil?
Componentes de un Sistema de Monitoreo de la
Integridad Estructural
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Civiónica, ¿Visión moderna de la Ing. Civil?
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Civiónica, ¿Visión moderna de la Ing. Civil?
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Conclusiones
40
Muchas Gracias por su atención
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