Análisis de los estudios realizados sobre la patología estructural del

Transcripción

UNIVERSIDAD METROPOLITANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
Análisis de los estudios realizados sobre la patología
estructural del Viaducto Nº 1 de la autopista Caracas-La
Guaira y simulación de su conducta estructural utilizando
SAP2000
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Irene Margarita Carbonell Betancourt
María Alejandra Rodríguez Rodríguez
Tutor: Ing. Mario Paparoni
Caracas, Agosto 2003
MARCAS REGISTRADAS
•
Microsoft, y Windows son marcas comerciales registradas Microsoft
Corporation.
•
OFFICE, Excel, Word y PowerPoint son marcas comerciales
registradas de Microsoft Corporation.
•
SAP2000 y SAP2000 NonLinear son marcas comerciales registradas
de Computers and Structures Incorporated.
Los nombres de productos mencionados en el presente trabajo se utilizan
sólo con propósitos identificativos y pueden ser marcas comerciales y/o
marcas comerciales registradas de sus respectivas compañías.
DERECHO DE AUTOR
Cedo a la Universidad Metropolitana el derecho de reproducir y difundir el
presente trabajo, con las únicas limitaciones que establece la legislación
vigente en materia de derecho de autor.
En la ciudad de Caracas, a los ___ días del mes de Agosto de 2003.
______________________________
______________________________
APROBACIÓN
Considero que el Trabajo de Grado titulado
Viaducto Nº 1 de la autopista Caracas-La Guaira y simulación de su
conducta estructural utilizando SAP2000
Elaborado por las ciudadanas
Para optar al título de
INGENIERO CIVIL
reúne los requisitos exigidos por la Escuela de Ingeniería Civil de la
Universidad Metropolitana, y tiene los méritos suficientes como para ser
sometido a la presentación y evaluación exhaustiva por parte del jurado
examinador que se designe.
En la ciudad de Caracas, a los___ días del mes de Agosto de 2003.
_________________
Ing. Mario Paparoni
ACTA DE VEREDICTO
Nosotros, los abajo firmantes, constituidos como jurado examinador y
reunidos en Caracas, el día____________, con el propósito de evaluar el
Trabajo de Grado titulado
presentado por las ciudadanas
para optar al título de
INGENIERO CIVIL
emitimos el siguiente veredicto:
Reprobado_____
Aprobado_____
Notable _____ Sobresaliente_____
Observaciones:
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_________________
_________________
_________________
Jurado
Jurado
Jurado
AGREDICIMIENTOS
A nuestro tutor, Ing. Mario Paparoni por su dedicación consejo y colaboración
en todo momento.
Al Ing. Francisco D’Amico, nuestro asesor, por haber mostrado interés en
esta investigación y haber sido un gran apoyo en la elaboración de la
simulación.
Al Topógrafo Pascual De Leo por su valiosa colaboración y el gran aporte de
datos para el desarrollo de este trabajo.
DEDICATORIA
A mi papá, mi mamá y Cristina por toda su ayuda y comprensión.
A Javier, por ser siempre especial conmigo y estar ahí en los momentos más
difíciles.
A todas las personas que estuvieron presentes en los momentos críticos.
DEDICATORIA
A mi papá y mi mamá, a quienes les debo todo
A Christian, por ser mi apoyo y motivación
A mi abue, a toda mi familia y a Yeyi
Gracias a todos los que me brindaron su apoyo, buenos deseos, aliento y
comprensión.
Ma. Alejandra Rodríguez Rodríguez
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Lista de tablas …………………………………………………………..………….x
Lista de figuras………………………………………………………....................xi
Resumen…………………………………………………………….....................xiii
Introducción………………………………………………………………………….1
Capítulo I. Marco teórico
I.1 El arco como elemento estructural…………………………………………….5
I.2 Diferencia entre una viga simplemente apoyada y un arco………………...9
I.3 Diagramas de momento para arcos parabólicos simétricos biarticulados,
según el caso de carga…...............................................................................10
I.4 Diagramas de momento para arcos parabólicos simétricos triarticulados,
según el caso de carga…...............................................................................17
I.5 Funcionamiento de SAP2000……………………………………………...…23
Capítulo II. Patología estructural del Viaducto Nº 1 de la Autopista CaracasLa Guaira
II.1 Características estructurales del Viaducto Nº 1 de la Autopista CaracasLa Guaira…………………………………………………………………………...24
II.2 Descripción del problema……………………………………………….……29
II.3 Causas y efectos del problema……………………………………………...32
II.3.1Conclusiones obtenidas del informe de evaluación neotectónica
preliminar de la galería superior del estribo Caracas del Viaducto N°1
de la Autopista Caracas-La Guaira………………………………………34
II.4 Observaciones que evidencian la patología estructural del Viaducto
N°1…………………………………………………………………………………..38
II.4.1 Relación ∆ cota Vs. Progresiva……………………………………44
II.4.2
Principios
considerados
en
la
interpretación
de
las
observaciones…………...…………………………………………………57
II.5 Confirmación del funcionamiento del arco como triarticulado……………59
II.5.1 Relación entre el acortamiento de la cuerda y el incremento de la
flecha…………………………...............................................................66
II.6 Soluciones estructurales propuestas para el rescate de la estructura del
Viaducto N°1…………………………………………………………………….…68
II.6.1 Solución propuesta por el Ing. Eduardo Arnal…………………...69
II.6.2 Solución propuesta por el Ing. Juan Otaola……………………...71
II.6.3 Solución propuesta por Mecánica Aceroton……………………..73
II.6.4 Solución propuesta por el Ing. Héctor Paredes………………….80
II.6.5 Solución de estabilidad de la Ladera Sur mediante la
construcción de un terraplén……………………………………………..83
II.6.6 Pantalla anclada para la estabilización de la segunda Pila
Quebrada Tacagua………………………………………………………..87
II.6.7 Informe relacionado con el deslizamiento que afecta al Viaducto
Nº 1 realizado por el Ing. Richard Goodman…………………………...90
II.6.8 Solución propuesta por el Ing. Rosendo Camargo……………...93
II.6.9 Solución propuesta por el Topógrafo Pascual De Leo………….96
Capítulo III. Simulación utilizando SAP2000
III.1 Simulación de la conducta estructural del Viaducto Nº 1 de la
autopista Caracas-La Guaira utilizando SAP2000............................102
III.2 El modelo…………………………………………………………….104
III.3 Interpretación de las deformadas obtenidas del análisis en
SAP2000 del modelo del viaducto……………………………………..107
III.3.1 Comparación de la deformada del viaducto con arco
biarticulado y triarticulado por peso propio…………………...108
biarticulado y triarticulado por efecto de una carga distribuida a
lo
largo
del
tablero
hasta
llegar
a
la
clave
del
arco…………………………………………….…………………..111
biarticulado
y
triarticulado
por
efecto
de
una
carga
uniformemente distribuida a lo largo del tablero……….……..114
biarticulado y triarticulado por efecto del deplazamiento de uno
de sus estribos……………………………….…………………..117
biarticulado y triarticulado por presencia de la carga de
viento…………………………………………………………..…..121
biarticulado
y
triarticulado
por
efecto
de
una
carga
sísmica………………………………………...…………………..125
III.4 Cálculo de la excentricidad de la fuerza resultante en la sección
del arco……………………………………………………………………134
III.5 Interpretación de los diagramas de fuerza axial obtenidos del
análisis en SAP2000 del modelo del viaducto………………………..141
III.6 Diagramas de momentos obtenidos del análisis en SAP2000 del
modelo del viaducto……………………………………………………...152
Conclusiones..……………………………………………………………………177
Bibliografía………………………………………………………………………..
i
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Deformada vertical del tablero, acera aguas abajo. Medición
realizada en Diciembre de 1992. Pág. 45
Tabla 2. Deformada vertical del tablero, acera aguas arriba. Medición
realizada en Diciembre de 1992. Pág. 46
realizada en Octubre de 1997. Pág. 48
realizada en Octubre de 1997. Pág. 49
realizada en Septiembre de 1998. Pág. 51
realizada en Septiembre de 1998. Pág. 52
realizada en Marzo de 1999. Pág. 54
realizada en Marzo de 1999. Pág. 55
Tabla 9. Relación acortamiento de la cuerda y el incremento de la flecha.
Pág. 66
Tabla 10. Cálculo de la excentricidad para el arco biarticulado por peso
propio. Pág. 136
Tabla 11. Cálculo de la excentricidad para el arco triarticulado por peso
propio. Pág. 136
Tabla 12. Cálculo de la excentricidad para el arco biarticulado por efecto de
una carga distribuida hasta llegar a la clave del arco. Pág. 137
Tabla 13. Cálculo de la excentricidad para el arco triarticulado por efecto de
una carga distribuida hasta llegar a la clave del arco. Pág. 137
ii
Tabla 14. Cálculo de la excentricidad para el arco biarticulado por efecto de
una carga distribuida a lo largo del tablero. Pág. 137
Tabla 15. Cálculo de la excentricidad para el arco triarticulado por efecto de
una carga distribuida a lo largo del tablero. Pág. 137
Tabla 16. Cálculo de la excentricidad para el arco biarticulado por efecto del
desplazamiento de uno de sus estribos. Pág. 138
Tabla 17. Cálculo de la excentricidad para el arco triarticulado por efecto del
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Viga doblemente empotrada. Pág. 6.
Figura 2. Viga levemente curveada. Pág. 7.
Figura 3. Viga levemente curveada con empuje horizontal. Pág. 8
Figuras 4 y 5. Arco empotrado en un extremo . Pág. 9
Figura 6. Carga vertical uniformemente distribuida sobre 3/8 del arco. Pág. 10
Figura 7.Carga vertical uniformemente distribuida sobre la mitad del arco.
Pág. 11
Figura 8. Carga vertical uniformemente distribuida sobre 5/8 del arco. Pág. 11
Figura 9. Carga vertical uniformemente distribuida sobre todo el arco. Pág. 12
Figura 10. Carga vertical uniformemente distribuida sobre el cuarto central
del arco. Pág. 13
Figura 11. Carga puntual concentrada en la clave del arco. Pág. 13
Figura 12. Dos cargas puntuales concentradas en la clave del arco. Pág. 14
Figura 13. Tres cargas puntuales concentradas en la clave del arco. Pág. 14
Figura 14. Cargas puntuales concentrada sobre el arco. Pág. 15
Figura 15. Desplazamiento horizontal de un apoyo. Pág. 15
Figura 16. Carga uniformemente distribuida sobre 3/8 del arco triarticulado.
Pág. 17
Figura 17. Carga uniformemente distribuida sobre la mitad izquierda del arco
triarticulado. Pág. 18
Figura 18. Carga uniformemente distribuida sobre 5/8 del arco triarticulado.
Pág. 18
iv
Figura 19. Carga uniformemente distribuida sobre todo el arco triarticulado.
Pág. 19
Figura 20. Carga uniformemente distribuida sobre el cuarto central del arco
triarticulado. Pág. 19
Figura 21. Carga puntual concentrada en la clave del arco triarticulado. Pág.
20
Figura 22. Dos cargas puntuales concentradas en el arco triarticulado Pág.
20
Figura 23.Tres cargas puntuales concentrada en el arco triarticulado. Pág. 21
Figura 24. Carga puntual concentrada sobre del arco triarticulado. Pág. 21
Figura 25.Desplazamiento horizontal de un apoyo del arco triarticulado. Pág.
22
Figura 26.Elementos del Viaducto N°1 de la autopista Caracas-La Guaira.
Pág. 28
Figura 27.Condición normal del arco. Pág. 62
Figura 28.Acortamiento de la cuerda del arco y elevación de la clave. Pág. 63
Figura 29.Fase constructiva del proyecto de refuerzo del viaducto. Pág. 94
Figura 30.Detalle esquemático de los trabajos de la fase I del proyecto. Pág.
95
Figura 31. Deformada del viaducto con arco biarticulado por peso propio.
Pág. 109
Figura 32. Deformada del viaducto con arco triarticulado por peso propio.
Pág. 110
Figura 33. Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto de una
carga distribuida a lo largo del tablero hasta llegar a la clave del arco. Pág.
112
v
Figura 34. Deformada del viaducto con arco triarticulado por efecto de una
113
Figura 35. Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto de una
carga distribuida a lo largo del tablero. Pág. 115
116
Figura 37. Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto del
120
Figura 39. Deformada de las vigas del tablero sometidas a la carga del
viento. Pág. 123
Figura 40. Tablero sometidas a la carga del viento. Pág. 124
Figura 41. Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto de la
aplicación de una carga sísmica del 20% de su peso distribuida en el tablero
hacia abajo. Pág. 126
Figura 42. Deformada del viaducto con arco triarticulado por efecto de la
hacia arriba. Pág. 130
vi
Figura 49. Diagrama de fuerza axial del viaducto con arco biarticulado por
peso propio. Pág. 143
Figura 50. Diagrama de fuerza axial del viaducto con arco triarticulado por
efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero hasta llegar a la clave
del arco. Pág. 145
del arco. Pág. 146
efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero. Pág. 147
del arco. Pág. 148
Figura 55 Diagrama de fuerza axial del viaducto con arco biarticulado por
efecto del desplazamiento de uno de sus estribos. Pág. 149
del arco. Pág. 150
Figura 57. Diagrama de momentos del viaducto con arco biarticulado por
vii
Figura 58. Diagrama de momentos del viaducto con arco triarticulado por
del arco. Pág. 159
del arco. Pág. 160
efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero. Pág. 161
del arco. Pág. 162
efecto del desplazamiento de uno de sus estribos. Pág. 163
del arco. Pág. 164
Figura 65. Diagrama de momentos por efecto de la aplicación de la carga de
viento al viaducto con arco biarticulado. Pág. 165
Figura 66. Diagrama de momentos por efecto de la aplicación de la carga de
viento al viaducto con arco triarticulado. Pág. 166
Figura 67. Diagrama de momentos al aplicar una fuerza que produce una
separación de la clave del arco biarticulado. Pág. 167
Figura 68. Diagrama de momentos al aplicar una fuerza que produce una
separación de la clave del arco triarticulado. Pág. 168
efecto de la aplicación de una carga sísmica del 20% de su peso distribuida
en el tablero hacia abajo. Pág. 169
viii
en el tablero hacia arriba. Pág. 173
ix
RESUMEN
Autores:
Tutor:
Ing. Mario Paparoni
Caracas; Agosto de 2003
El objetivo de este trabajo es hacer una recopilación y análisis de la
información referente a la patología estructural que presenta el Viaducto Nº 1
de la autopista Caracas-La Guaira, cuyo conocimiento e interpretación
resulta una pieza fundamental en los estudios preliminares requeridos en la
formulación de nuevas propuestas para el rescate del Viaducto. Además
contiene una la simulación de la conducta estructural del Viaducto Nº 1
utilizando SAP2000,
El trabajo consta de tres capítulos: El primero es el marco teórico y explica el
funcionamiento del arco, pues es éste el principal elemento estructural del
Viaducto. Luego se presenta un segundo capítulo dedicado a la patología
estructural; contiene las características estructurales del Viaducto y la función
que cumple cada uno de sus elementos, la descripción del problema, sus
causas y efectos. También incluye las observaciones que han evidenciado la
patología estructural, las deducciones que se han realizado en relación a
dichas observaciones y las mediciones topográficas realizadas al Viaducto
en las cuales se basan algunas gráficas que reflejan su proceso de
deformación.
El tercer y último capítulo se refiere a la simulación de la conducta estructural
del Viaducto Nº 1 de la autopista Caracas-La Guaira utilizando SAP2000.
Primero, se presentan las consideraciones para la elaboración del modelo,
luego, se incluyen los gráficos de deformada, diagramas de fuerza axial y
momentos obtenidos del SAP2000 y su interpretación. El modelo permite
visualizar con facilidad la respuesta estructural del Viaducto bajo diversas
condiciones y sin necesidad de entrar en cálculos refinados, permite conocer
el patrón de su conducta.
1
INTRODUCCIÓN
La problemática relacionada con la avanzada e inminente patología
estructural que presenta el Viaducto Nº 1 situado en la Autopista Caracas-La
Guaira demanda con urgencia la toma de una decisión que evite el colapso
de su estructura. El ingeniero civil tiene un papel protagónico en el desarrollo
de una estrategia para el rescate del Viaducto que debe, por supuesto, estar
acompañada de la voluntad de los entes responsables de tomar medidas en
la búsqueda de soluciones que permitan la prolongación de la vida de esta
estructura, cuya nobleza es tal, que pese a no haber recibido el mínimo de
mantenimiento y atención que demanda, ha prestado servicio durante 50
años, cumpliendo así la misión para la cual fue concebida y construida.
El valor incalculable de esta obra está dado por su belleza y funcionalidad.
La existencia del Viaducto permite la conexión de la ciudad de Caracas con
La Guaira, y a su vez comunica a Venezuela con el resto del mundo, pues en
La Guaira se encuentra ubicado el principal puerto y aeropuerto del país.
Prolongar la vida del Viaducto es indispensable para
preservar la
continuidad de la Autopista, cuya importancia se deriva del impacto que
produce su existencia en el desarrollo de la actividad productiva venezolana.
2
El objetivo de este trabajo es hacer una recopilación de toda la información
referente a la problemática del Viaducto Nº 1 que, hasta ahora, había estado
dispersa y por lo tanto no había podido ser utilizada al máximo para los
estudios preeliminares que se requieren para la formulación de nuevas
propuestas para el rescate del Viaducto. Esta recopilación permitirá al lector
obtener una visión del macro del problema pues contiene sus antecedentes,
causas y efectos; respaldados por las mediciones topográficas que se han
realizado en diferentes años y que reflejan el deterioro progresivo de la
estructura.
El primer capítulo contiene el marco teórico, en el que se explica el
funcionamiento del arco presentando la distribución de los momentos que se
producen como consecuencia de diversos de carga cuando el arco está
biarticulado y triarticulado. Es importante comprender el comportamiento del
arco, pues es éste el principal elemento estructural del Viaducto Nº 1.
El segundo capítulo se refiere a la patología estructural del
Viaducto.
Contiene sus características estructurales y la función que cumple cada uno
de sus elementos. Luego presenta la descripción del problema así como sus
causas y efectos. También incluye las observaciones que han evidenciado la
patología estructural y las deducciones que se han realizado entorno a
dichas observaciones considerando algunos principios que también han sido
3
incluidos en éste capítulo. Las observaciones están respaldadas por las
mediciones topográficas realizadas al viaducto y algunas gráficas que
reflejan su proceso de
deformación. Se presenta además el trabajo del
topógrafo Pascual De Leo, quien partiendo de las mediciones topográficas,
confirma que actualmente el arco del viaducto funciona como triarticulado, lo
cual explica el cambio que experimentó su conducta estructural. Por último,
en éste capítulo, se presenta el contenido de las soluciones propuestas por
diversos ingenieros para el rescate de la estructura del Viaducto Nº 1.
El tercer y último capítulo se refiere a la simulación de la conducta estructural
del Viaducto Nº 1 de la autopista Caracas-La Guaira utilizando SAP2000.
Primero se presentan las consideraciones para la elaboración del modelo en
cuanto a las características de los elementos que conforman su estructura y
las propiedades de sus materiales; luego, se presentan los gráficos de
deformada y diagramas de momento obtenidos del SAP2000 con su
respectiva interpretación. El modelo fue ensayado para diferentes casos de
carga considerando el arco biarticulado y con una tercera articulación en la
clave; los resultados obtenidos fueron comparados para observar la variación
en
el
comportamiento
estructural
que
experimenta
el
Viaducto
consecuencia de la aparición de una nueva articulación en su clave.
a
4
El modelo permite visualizar con facilidad la respuesta estructural del
Viaducto bajo diversas condiciones y sin necesidad de entrar en cálculos
refinados, permite conocer el patrón de su conducta; lo cual resulta
indispensable al momento de concebir una solución efectiva en pro del
rescate de su estructura.
La construcción de una obra de la envergadura y calidad del Viaducto Nº 1
de la autopista Caracas-La Guaira, hoy en día, resulta prácticamente inviable
desde el punto de vista económico. Actualmente no se disponen de los
recursos con los que se contaba en la década de los cincuenta, cuando esta
estructura fue construida. Además los métodos constructivos han variado con
el fin de optimizar tiempo y dinero, por esa razón, difícilmente se diseñan
estructuras que contengan arcos,
como los que otorgan la belleza y
majestuosidad Viaducto Nº 1.
El déficit de atención prestada al deterioro de la estructura del Viaducto Nº 1,
es pues, la razón fundamental que motiva la realización de éste trabajo de
grado. En el desarrollo del trabajo, se consideró la importancia de interpretar
su patología estructural creando un modelo que refleje su comportamiento de
manera global.
5
EL ARCO COMO ELEMENTO ESTRUCTURAL
Los arcos, además de aportar belleza y majestuosidad a las estructuras,
resultan elementos de gran eficiencia y funcionalidad. El diseño de puentes
de concreto armado se basa en los mismos principios generales que el
utilizado para las estructuras rígidas aunque existen algunas variaciones en
los métodos que se utilizan.
Los arcos pueden tener los extremos empotrados o articulados en el
comienzo del estribo. Dependiendo de cómo estos sean reciben diferentes
nombres, a continuación se presentan diferentes tipos de arcos:
•
Ambos extremos están empotrados y el arco es continuo se le
llama sin articulación.
•
Ambos extremos están articulados y el arco es continuo se le llama
doblemente articulado.
•
Articulado en los extremos y en el centro del arco se le llama
triarticulado.
6
La acción fundamental de un arco
La acción fundamental de un arco se encuentra explicada y graficada a
continuación:
1. La figura 1, muestra una viga doblemente empotrada, la cual tiene
profundidades variables en la sección transversal, pero que en su plano
neutro o eje AB es horizontal. La carga P genera momentos flectores y
reacciones verticales en esta viga.
Figura 1. Fuente: Advanced reinforced concrete. Dunham
Donde:
•
A y B son los empotramientos en los extremos de la viga
•
C es el centro de la viga
•
D es el punto donde se aplica la carga vertical.
•
L es la luz de la viga
•
Ma : Momento en el empotramiento A
7
•
MB: Momento en el empotramiento B.
•
Ra: Reacción vertical en el empotramiento A.
•
Rb: Reacción vertical en el empotramiento B.
2. Ahora, la misma viga se encuentra elevada en el punto C, entonces AB
está levemente curveada y los apoyos A y B están rotados. La proyección
horizontal del arco se acorta por la distancia ∆L ya que la longitud ACB no ha
cambiado. Cuando la carga P se aplica, AB se dobla pero también tiende a
enderezarse causando así presiones horizontales en A y B conjuntamente
con reacciones verticales. Por lo tanto, la estructura es sometida a una fuerza
longitudinal de compresión que no existía antes. Si la curvatura es muy
pequeña, como se muestra en la figura 2, entonces el miembro sigue siendo
una viga elemental.
3. Ahora la elevación del punto C es mucho mayor, así como se muestra en
la figura 3, adquiriendo así el empuje horizontal importancia. Entonces, ésta
estructura puede ser llamada ARCO.
8
Una de las grandes ventajas que trae la utilización de arcos, se debe al
hecho de la existencia de una curvatura en los componentes horizontales, el
cual alivia los momentos flectores que se generarían si fuera una simple
viga, en vez de un arco. Claro está que el arco ideal es aquel que la carga le
causa poco o ningún momento flector. En tal caso, el concreto de toda la
sección transversal se diseña para que resista a la compresión a diferencia
de una viga ordinaria la cual se diseña para las tensiones en un extremo.
9
Diferencia entre una viga simplemente apoyada y un arco
La diferencia entre una viga curva simplemente apoyada y
un arco
empotrado en un extremo se muestran en las figuras 4 y 5. Se puede ver
claramente que la fuerza del arco representado en la figura 4, depende de su
habilidad para resistir la flexión
mientras que la fuerza del arco,
representado en la figura 5, depende directamente de las fuerzas de
compresión. Las líneas punteadas muestran la deformación de ambas
estructuras.
10
Diagramas de momentos para arcos parabólicos simétricos con dos
articulaciones, según el caso de carga.
A continuación se muestran una serie de diagramas de momentos para
diferentes casos de cargas para arcos parabólicos simétricos con dos
articulaciones.
1. Carga vertical uniformemente distribuida sobre tres octavos del
arco.
Figura 6. Fuente: Pórticos y arcos. Leontovich
Para este caso, la carga distribuida se encuentra desde el comienzo del arco
hasta 3/8 de la luz . Se puede observar que el momento que produce hasta
3/8 de la luz del arco es positivo y luego a partir de ahí es negativo.
11
2. Carga vertical uniformemente distribuida sobre la mitad izquierda del
arco.
La carga distribuida se encuentra hasta el centro de arco, es decir hasta la
mitad de la luz. El diagrama de momentos, es el siguiente: momento positivo
hasta la mitad y a partir de ahí es negativo.
3. Carga vertical uniformemente distribuida sobre cinco octavos del
arco.
12
Este caso de carga es similar a los dos anteriores. El diagrama de momento
es el siguiente: momento positivo hasta 5/8 de la luz del arco y luego a partir
de ahí momento negativo.
4. Carga vertical uniforme distribuida sobre todo el arco.
Este caso es realmente particular, pues se puede observar a través del
diagrama de momento, que el momento en cualquier lugar de la sección es
cero.
13
5. Carga vertical uniformemente distribuida sobre el cuarto central del
arco.
En este caso la carga se encuentra a partir de 3/8 de la luz arco hasta 5/8 de
la luz. Aquí se puede apreciar que solamente hay momento positivo donde
se aplicó la carga.
6. Carga puntual concentrada en la clave del arco.
Figura 11.Fuente: Pórticos y arcos. Leontovich
La carga puntual produce momento negativo en los riñones del arco y en la
clave produce momento positivo en forma de pico.
14
7. Dos cargas puntuales concentradas en el arco.
Este caso de carga produce dos momentos positivos en forma de pico,
momentos negativos en una parte de los riñones y un momento negativo
pequeño en la clave del arco.
8. Tres cargas puntuales concentradas sobre el arco.
15
Este caso de carga es similar al anterior, produciendo momento positivo en
forma de pico donde se encuentran aplicadas las cargas verticales.
9. Carga puntual concentrada sobre el arco.
Para este caso de carga se producen dos momentos, uno negativo y otro
positivo, y donde se aplica la carga se puede observar un pico en el
momento positivo.
10. Desplazamiento horizontal de un apoyo.
16
Se puede observar a través del diagrama de momento, que cuando un apoyo
se mueve de su posición original ocasiona momento negativo en todo el
arco.
17
Diagramas de momentos para arcos parabólicos simétricos con tres
articulaciones, según el caso de carga.
Los gráficos de diagramas de momentos presentados a continuación se
realizaron utilizando el programa SAP2000. Dichas simulaciones fueron
elaboradas según el caso de carga correspondiente.
1.
Carga vertical uniformemente distribuida sobre tres octavos del
arco.
Figura 16. Fuente: Simulación en SAP2000
Para este caso, la carga distribuida se encuentra desde el comienzo del arco
hasta 3/8 de la luz. Se puede observar que el momento que produce hasta
3/8 de la luz del arco es positivo y luego a partir de allí es negativo. Es
importante notar que el momento es mayor en el sector del arco donde se
aplicó la carga.
18
2. Carga vertical uniformemente distribuida sobre la mitad izquierda del
arco.
La carga distribuida se encuentra hasta el centro de arco, es decir hasta la
mitad de la luz. El diagrama de momentos, es el siguiente: momento positivo
hasta la mitad y a partir de ahí es negativo. Es importante destacar que no
existe momento en la clave del arco.
3. Carga vertical uniformemente distribuida sobre cinco octavos del
arco.
Este caso de carga es similar a los dos anteriores. El diagrama de momento
es el siguiente: momento positivo hasta un poco antes de llegar a la clave del
19
arco y luego a partir de ahí momento negativo. Para este caso, tampoco
existe momento en la clave.
4. Carga vertical uniforme distribuida sobre todo el arco.
En este caso se le coloco una carga uniformemente distribuida a lo largo del
arco, y se puede apreciar que existe momento positivo en todo el arco. Se
debe notar que los momentos en el arco son por sectores, empiezan en cero
y terminan en cero y así están distribuidos a lo largo de todo el arco. Para
este caso el momento en la clave del arco también es cero.
5. Carga vertical uniformemente distribuida sobre el cuarto central del
arco.
20
En este caso la carga se encuentra a partir de 3/8 de la luz arco hasta 5/8 de
la luz. Se puede observar la existencia de momento negativo desde el
comienzo del arco hasta donde se aplicó la carga. En los sectores del arco
donde se aplicó la carga el momento es positivo y relativamente pequeño
comparándolo con el momento negativo, para este caso el momento en la
clave también es cero.
6. Carga puntual concentrada en la clave del arco.
La carga se le aplicó en la clave del arco, los momentos producidos son
negativos en todo el arco, exceptuando la clave en donde el momento es
cero.
7. Dos cargas puntuales concentradas en el arco.
21
Este caso de carga produce dos momentos negativos hasta un poco antes
de donde se aplicó la carga puntual, a partir de ahí un momento positivo que
llega hasta la clave, luego otro momento positivo hasta un poco después de
donde se le aplicó la otra carga puntual y después otro momento negativo
hasta el final del arco.
8. Tres cargas puntuales concentradas sobre el arco.
Con este caso de carga se produce momento negativo en todo el arco,
exceptuando la clave en donde el momento es cero.
9. Carga puntual concentrada sobre el arco.
22
Para este caso de carga se produce un momento negativo pequeño hasta
llegar a la clave, en la clave es cero y a partir de ahí se produce un momento
positivo, mayor al negativo, hasta el final del arco.
10. Desplazamiento horizontal de un apoyo.
Existe momento negativo en todo el arco, exceptuando la clave en donde el
momento es cero.
23
Funcionamiento del programa SAP2000 ®
SAP2000 es un programa computarizado que sirve de ayuda para analizar
estructuras lo que sus siglas en inglés significan “structural analysis
program”. Fue desarrollado por un grupo de ingenieros estructurales de la
Universidad de Berkeley en California
El SAP2000 le da la oportunidad al usuario de crear, modificar, analizar y
diseñar modelos estructurales, todo esto dentro de la misma interfase del
usuario. Este programa contiene módulos que se pueden utilizar para diseñar
tanto estructuras de acero como estructuras de concreto armado.
El programa provee un ambiente interactivo en donde el usuario puede
estudiar las condiciones de tensión, realizar cambios apropiados, como
cambio en el tamaño de los miembros, revisión del tamaño y actualizar el
diseño sin tener que reanalizar la estructura.
Para poder realizar la simulación del Viaducto No. 1 Caracas-La Guaira en
SAP2000, se contó con la ayuda del Ing. Francisco D’Amico, quien posee
altos conocimientos del programa.
24
CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES DEL VIADUCTO Nº 1
El Viaducto No. 1, ubicado en el Km. 3 de la Autopista Caracas - La Guaira
fue proyectado en 1.950 por la firma francesa Campenon Bernard, bajo la
concepción y asesoría del eminente profesor Eugene Freyssinet. El objetivo
de esta construcción fue crear una vía que permitiese la comunicación entre
la ciudad de Caracas y La Guaira en la cual se encuentra ubicado el
Aeropuerto Internacional Simón Bolívar y el principal puerto del país. Su
construcción que fue realizada por la misma empresa, se llevó a cabo entre
1.951 y 1.953, año en que fue inaugurada la autopista. Para esta fecha era el
más importante viaducto de arco del mundo. Aún hoy, 40 años después, los
conceptos y métodos constructivos lo hacen una obra de ingeniería de
avanzada, y representa un hito importante en la historia de la ingeniería civil
latinoamericana.
La estructura del Viaducto Nº 1 de la Autopista Caracas-La Guaira fue
construida en concreto armado, está formado por dos accesos laterales, y un
gran arco central que es, por cierto, aún el mayor arco de concreto
pretensado del mundo.
En general, el modelo de su comportamiento estructural se basa
fundamentalmente en un arco que recibe sus cargas por medio de péndulas
25
verticales, las cuales trabajan por la relación de sus rigideces con las del
arco, como bielas biarticuladas que transmiten, prácticamente, sólo cargas
verticales a cada arco.
La estructura del arco consta de tres elementos paralelos, arriostrados entre
sí, biarticulados, con una luz de 154.64 mts entre articulaciones y una flecha
de 32 mts. En cada arco, existen por lo menos tres juntas constructivoestructurales. Además de las inherentes al vaciado, hay también una junta
constructiva abierta en la clave de cada arco, pues allí se colocaron, durante
la fase constructiva, gatos y cuñas para ajustar las curvas de presiones del
arco, lo cual implica que existía una provisión destinada a desplazar la
posición de la fuerza resultante aplicada en la clave y así ajustar el centro de
presiones. La forma en que la clave del arco fue construida, solo asegura la
continuidad del mismo en el caso de que éste se encuentre totalmente
comprimido.
Los arcos están apoyados en el lado La Guaira (Ladera Norte) en una
fundación directa en forma de cajón. La fundación del lado Caracas (Ladera
Sur) consta de 7 pilotes verticales y 3 pilotes inclinados, que mediante un
cabezal reciben las solicitaciones de los arcos.
26
El
tablero
que
tiene
una
longitud
total
de
315.65
metros,
está
monolíticamente unido a los arcos en la clave, se apoya también en las
péndulas ó estacadas que parten de los arcos, y en las péndulas de los
accesos laterales que se encuentran sobre fundaciones directas o pilas
individuales.
Las cargas verticales se transmiten mediante el tablero, que a su vez es el
elemento estructural de estabilidad al viento. Aunque hubo la intención de
hacer del tablero un elemento continuo, esto sólo se logró para las acciones
producidas por cargas verticales debido a que el tablero está formado por
piezas prefabricadas inherentemente discontinuas.
En cada fundación del Arco se apoya una estructura hueca (Pilastra) de
ancho aproximado 5.4 metros, formada por paredes de concreto armado que
soporta el tablero del Lado Caracas (de longitud 50.23 metros), el tablero del
Arco (de longitud 154.64 metros) y el proveniente del Lado La Guaira (de
longitud 99.70 metros).
El Tablero del Lado Caracas, está dividido en tres tramos, apoyándose en el
extremo Sur (Estribo Caracas) por medio de una biela corta, fundado
directamente sobre cuatro contrafuertes; los ejes de los apoyos intermedios
reposan sobre dos tríos de bielas, el eje de las bielas mas cercano al estribo
27
Caracas, se encuentran articuladas en su parte inferior, en el otro apoyo se
encuentran biarticuladas. Dichos péndulas o bielas están fundadas sobre
pilas cortas inclinadas normales a la ladera, unidos a la fundación del arco
mediante vigas de riostra, las cuales no llegan al estribo Caracas.
El tablero del lado La Guaira, esta formado por seis tramos. Se apoya en el
estribo mediante una biela corta siendo su estructura hueca, apoyada sobre
fundaciones directas; los ejes de los apoyos intermedios son cinco tríos de
bielas, uno de los ejes biarticulados y los otros cuatro ejes de bielas
articuladas en su parte inferior, todas apoyadas directamente sobre la
Ladera, donde las dos fundaciones de las bielas más cercanas a las del arco
La Guaira se encuentran unidas a este, mediante vigas de riostra.
El tablero, aparte de la unión con los arcos en la clave, no tiene otras
restricciones en su movimiento longitudinal, pues sus apoyos son péndulas o
bielas. Esto hace que todo el tablero siga el mismo movimiento longitudinal
de la clave del arco.
28
Elementos del Viaducto Nº 1 de la Autopista Caracas-La Guaira
Figura 26. Fuente: Ing. Salvador Pulido
29
PATOLOGÍA ESTRUCTURAL DEL VIADUCTO
Descripción del problema
El resumen informativo del Viaducto N°1 de la autopista Caracas-La Guaira,
presentado por W.S. Asesoramientos Técnicos de Ingeniería al Ministerio de
Transporte y Comunicaciones (M.T.C.), revela la problemática del Viaducto
N°1 a partir del año 1987.
Es en Mayo de ese mismo año cuando se encuentra una protuberancia en el
pavimento asfáltico en el sitio de la junta del estribo del lado Caracas. Es
entonces, cuando el M.T.C. ordena una inspección para poder determinar la
causa de dicha protuberancia. Luego de realizar la inspección se determinó
que existía rotación en la biela de apoyo, y que se estaban desarrollando
grietas en los contrafuertes de ese estribo. Durante la inspección se
aprovechó la oportunidad para verificar agrietamientos y deformaciones entre
las vigas de riostra que enlazan las fundaciones de las péndulas cercanas.
Al observar esta serie de problemas el M.T.C. comienza a realizar algunas
acciones para tratar de solventar los problemas visualizados durante la
inspección. Se decide realizar obras para el control de aguas superficiales,
obras de estabilización, instalación de un control topográfico (geodésico),
30
que permitieran determinar las deformaciones y desplazamientos en los
elementos estructurales. También se deciden realizar estudios geológicos y
geotécnicos, estos fueron los que revelaron la presencia de un inmenso
deslizamiento masivo del terreno en la ladera Sur.
Este deslizamiento ocasiona la inestabilidad y el desplazamiento de los
siguientes elementos: el estribo del lado Caracas, la fundación común para
los arcos y la pilastra y de las fundaciones de las péndulas ubicadas del
mismo lado. Esto produce un movimiento horizontal en la fundación común
de los arcos y pilastra, acorta la cuerda entre las articulaciones de los arcos y
produce un levantamiento en la clave que se manifiesta en una visible
contraflecha del tablero.
Además de las acciones tomadas por el M.T.C durantes los años de 1987 y
1989, se crea una Comisión Presidencial de Alto Nivel Técnico, que se
conformó por ingenieros con
diversas especialidades, los cuales se
dedicaron a estudiar la problemática del viaducto y a presentar soluciones
viables.
Las solicitaciones que se producen sobre la estructura del Viaducto,
consecuencia del empuje de la masa en deslizamiento le producen
deformaciones progresivas a los diferentes elementos estructurales.
31
Posteriormente esta comisión cuantificó el volumen de la masa en
movimiento, el cual se estimó en unos seis millones de metros cúbicos, cuyo
peso está en el orden de los catorce millones de toneladas.
Luego de realizar los estudios pertinentes se pudo observar que la velocidad
de deformación inicial fue alarmante, esto hizo creer que el colapso de la
estructura podría ocurrir
en muy poco tiempo. Luego de realizar un
seguimiento a la velocidad, a través de instrumentos de medición y control se
determinó que la velocidad disminuido con el paso del tiempo. Esto no
necesariamente garantiza la seguridad del Viaducto N° 1, ya que la velocidad
puede aumentar, disminuir o detenerse de manera impredecible.
Para el año 1997, fecha en la cual W.S. Asesoramientos Técnicos de
Ingeniería presenta el informe, se determinó que el movimiento se mantuvo,
y continuó comprometiendo la estabilidad de la estructura y la continuidad
vial en tan importante autopista.
Se debe tener muy en cuenta que aunque ha disminuido la velocidad de los
movimientos en la ladera, y consecuencialmente las velocidades de
deformación de la estructura, un posible sismo podría introducir una
solicitación dinámica capaz de cambiar repentinamente la velocidad del
movimiento. Si esto sucede es posible que ocurra un desprendimiento
32
masivo de la ladera inestable, lo cual podría ocasionar el colapso súbito de la
estructura o de parte de ella.
Causas y efectos del problema
Según
Anselmi
el informe de estructuras presentado por los ingenieros Pedro
Cruz
y
Héctor
Paredes
al
Ministerio
de
Transporte
y
Comunicaciones, en diciembre de 1993, se presentan a continuación las
causas fundamentales de los problemas presentados por el Viaducto N°1
Caracas-La Guaira.
De acuerdo a las observaciones efectuadas hasta la fecha, existían
suficientes indicios para confirmar la existencia de movimientos tectónicos
antiguos (reactivados) y recientes, además de movimientos asociados al
deslizamiento de la ladera a través de una superficie plana en su mayor
parte, la cual varía en la base para aflorar aproximadamente veinte (20)
metros por encima del lecho de la quebrada Tacagua.
Los movimientos de la masa, que generaban un movimiento de la fundación
del arco de 5.3 mm/mes en 1987, con anterioridad a las obras de anclaje e
inyecciones de concreto realizadas en la zona, bajó considerablemente hasta
ubicarse
aproximadamente en una rata de movimiento de 1.6 mm/mes
a
33
finales de 1988, que hipotéticamente le daría al viaducto una vida útil mayor
de 5 años, obviando lo impredecible del comportamiento de la masa.
La saturación del terreno circundante a la Ladera Sur del viaducto N°1, por
descargas libres de aguas negras provenientes de zonas marginales, y la
inadecuada recolección de aguas superficiales, pudo perturbar la condición
inicial de equilibrio pre-existente en la zona.
Las pilas verticales de soporte del viaducto en la pilastra Caracas, se
encuentran ya cizalladas, como se ha demostrado en perforaciones
efectuadas sobre dichos elementos estructurales, lo que hace impredecible
la seguridad de la estructura.
La falla del Estribo Caracas se produjo, cuando fue sobrepasada la
resistencia a tracción de la biela de apoyo, hecho este que dió origen a las
investigaciones actuales sobre el comportamiento del Viaducto N°1.
Estimando que las solicitaciones horizontales producto de la falla en el
estribo Caracas, dominaron la conducta de la Pilastra de Soporte del tablero
del Arco Sur del Viaducto, e influyeron naturalmente en la inestabilidad de la
masa circundante que afecta las fundaciones de la misma, hecho que implica
un modelo Estructural donde predomina la interacción Suelo-Estructura.
34
Siendo la causa fundamental de la patología estructural del Viaducto Nº 1, de
orígen geotectónico, se considera pertinente presentar el resultado de un
estudio basado en observaciones geológicas cuyas conclusiones se incluyen
a continuación.
Conclusiones obtenidas del informe de evaluación neotectónica
preliminar de la galería superior del estribo Caracas del Viaducto N°1 de
la Autopista Caracas-La Guaira.
Estas conclusiones fueron realizadas a partir de una serie de observaciones
geológicas en la galería superior del estribo norte del Viaducto N°1 de la
autopista Caracas-La Guaira, elaborado por la Fundación Venezolana de
Investigaciones Sismológicas (FUNVISIS).
Dicho informe se elabora a petición de las empresas Ingeotec, empresas
RDS y W.S. Asesoramientos técnicos, debido a la problemática geológica
que afecta al Viaducto N°1 y también para solicitar una experticia
neotectónica del mismo. La información suministrada en el informe proviene
de los resultados obtenidos en tres inspecciones de la galería superior y las
zonas circundantes, durante el año de 1993.
A continuación se presentan las conclusiones obtenidas por FUNVISIS:
35
1) Un deslizamiento rotacional, se evidencia en el sector de la galería
superior ocupado por materiales de origen coluvial. La superficie, estriada y
muy pulida, correspondiente al plano de deslizamiento se observa
claramente. En base a criterios de edad relativa, se atribuye la edad de este
coluvión al Holoceno-Pleistoceno superior. Ensayos de datación absoluta por
medio de análisis radiocarbónicos, parecen factibles en el material afectado
por el deslizamiento.
2) Numerosos planos pulidos y estriados, con ancho milimétrico a
centimétrico, afectan al sector de la galería ocupado por la brecha tectónica.
Dichos planos, de origen tectónico, se orientan preferencialmente en
dirección NO-SE y buzan de manera moderada a fuerte al Sur, es decir de
manera contraria a la pendiente de la ladera. Estos planos se relacionan
preponderantemente con movimientos de falla de tipo inverso.
Las mediciones microtectónicas efectuadas en los planos de falla:
•
Sugieren que la brecha tectónica puede estar asociada al sistema de
fallas de dirección NO-SE que se extiende entre el litoral y Caracas e
interfiere parcialmente con la Quebrada Tacagua.
•
Evidencian
movimientos
que
los
campos
tectónicos
de
observados
esfuerzos
en
los
responsables
planos
de
de
falla,
36
corresponden a los tensores de esfuerzos plio-cuaternarios obtenidos
en la región central, en particular por FUNVISIS, tanto en rocas
metamórficas como en secuencias sedimentarias plio-cuaternarias.
Por lo tanto, tal correspondencia sugiere que la brecha tectónica que
aflora en la galería superior está asociada con una falla que puede
haber estado tectónicamente activa durante el plio-cuaternario, es
decir en el lapso correspondiente a la vigencia del último régimen de
deformación cortical evidenciado en la Cordillera de la Costa entre
cinco millones de años y el presente.
3) El buzamiento elevado y persistente hacia el SE tanto de la foliación
como de los planos estriados observados en la brecha tectónica así como el
tipo de movimiento observado en los planos de falla, sugieren que un
deslizamiento de la brecha tectónica en forma planar o por cuñas a lo largo
de estos planos hacia la Quebrada Tacagua es altamente improbable. En
cambio, el desprendimiento de cuñas controladas por las diaclasas a nivel de
la brecha tectónica es factible.
De hecho, la brecha tectónica presenta numerosos indicios de estar
sometida a tracción (cavidades rellenadas por materiales de colapso,
contactos anómalos entre bloques foliados, oquedades rellenadas por
lechadas durante las operaciones de inyección para la colocación de
37
anclajes).
4) El macizo rocoso, caracterizado por una foliación de dirección NE-SO y
buzamiento suave a moderado hacia el Norte, presenta una inestabilidad
potencial muy alta. La foliación de dicho macizo es capaz por sí sola de
deslizar en forma planar ya que su buzamiento hacia el Norte es inferior al de
la ladera. Adicionalmente son numerosas las cuñas potencialmente
inestables controladas por la foliación y las diaclasas.
Por ende, la coexistencia de un deslizamiento, evidenciado en el sector de la
galería correspondiente al material coluvial, y de una brecha tectónica
altamente fracturada y con indicios de estar sometida a tracción, indica que
la problemática de la inestabilidad del estribo Caracas del Viaducto N° 1 es
compleja y no responde a un deslizamiento único de mecanismo sencillo
(rotacional, planar, en cuña, etc.).
38
Observaciones que evidencian la patología estructural del Viaducto Nº 1
Según
Anselmi
el informe de estructuras presentado por los ingenieros Pedro
Cruz
y
Mario
Paparoni
al
Ministerio
de
Transporte
y
Comunicaciones, en diciembre de 1993, se muestran a continuación los
hechos observados o deducidos de observaciones a raíz de la problemática
presentada por el Viaducto N°1 Caracas-La Guaira.
1. El arco tiene en la clave una junta de construcción franca, que una vez
estuvo abierta, en donde se colocaron durante la construcción cuñas de
concreto y gatos planos movibles hacia arriba y hacia abajo para practicar
ajustes de fuerzas, y por tanto de posiciones relativas de las caras de la
junta. Se piensa que no hay aceros pasantes a través de dicha junta vertical,
y que los semiarcos terminados fueron una vez movidos relativamente entre
sí, al separar o unir las dos caras de la junta cimera.
2. El arco derecho (bajando), el único que ha podido ser observado con
suficiente detalle por su cara lateral externa libre, tiene ya lesiones
(agrietamientos horizontales presentes en las dos mitades del arco), que
denotan que la clave estuvo o está sometida a una compresión excéntrica, y
que el concreto de esa zona localizada sufrió compresiones a nivel de
agrietamientos con aperturas paralelas a la dirección de la fuerza de la clave,
39
visibles con ayuda del telescopio. Esas grietas tienen dentelladuras típicas
de las grietas tensionales, no presentes en las grietas típicas de retracción.
Las grietas observadas denotan también un despegue local entre la pared
horizontal inferior de la sección de caja del arco y la pared transversal lateral
externa, debidas a una concentración de la carga en la pared horizontal
inferior de la caja del arco, al bajar de posición la resultante a causa de la
apertura de la junta en su parte superior, debido al giro de clave causado por
las perturbaciones de las bases.
Debido a la dificultad de visualizar los otros dos arcos no se sabe a ciencia
cierta, si tienen lesiones de este tipo.
Las compresiones que actualmente sufre el arco del lado aguas arriba fueron
originadas por las fuerzas excéntricas que actuaron un cierto tiempo sobre el
tablero, estando la resultante de las fuerzas aplicadas precisamente hacia el
lado de ese arco.
También podrían estar presentes fuerzas de corte transversales a nivel de
ambos estribos y pilastras en menor grado a nivel de los arcos, todo ello
producto de la no desvinculación lateral total entre la biela de apoyo, el
estribo y el tablero que conecta, en el lado Caracas, como resultado de la
40
componente lateral del desplazamiento sufrido por dicho estribo. Esta acción
incrementa las compresiones sobre el lado aguas arriba del tablero y de los
arcos.
3. El Tablero está arqueado transversalmente en su plano, teniendo
importantes flechas horizontales relativas entre el centro y la cuerda que une
los extremos, y además está ligeramente torcido según su eje longitudinal en
una forma poco regular, es decir sin claros patrones. La ausencia, presencia,
o el espaciamiento relativo de las grietas perpendiculares al eje del tablero,
visibles en ambos bordes, muestran claramente que sufrió o sufre tensiones
de tracción a nivel de agrietamiento predominantemente en el lado izquierdo
de la calzada (bajando); ello indica que hubo o hay momentos flectores
horizontales aplicados al tablero, inducidos tanto por la excentricidad
eventual de una carga axial, como por la presencia de alguna fuerza
horizontal a nivel del estribo Caracas, la cual, dada la presencia de una pila
relativamente rígida y resistente en dirección transversal al eje del tablero,
podía y puede generar un momento flector considerable sobre el tablero
mismo, formando la fuerza transversal (cortante) proveniente del estribo y la
reacción transversal horizontal de la pila una pareja con brazo de palanca
considerable.
41
Debido a que no existen planos detallados de la sección del tablero, no
resulta viable estimar la magnitud de las fuerzas actuantes a través de la
aproximación que pueda hacerse postulando unas ciertas tensiones de
agrietamiento coherentes con el agrietamiento observado. Una vez en
posesión de esos valores sería posible hacerlo, pero tomando en cuenta el
tipo de conexión que exista a nivel de porciones separadas del tablero, las
cuales podrían haber acotado el valor del momento global estimable.
Tampoco existe una explicación de la existencia de una deformada horizontal
del tablero prácticamente simétrica respecto a la clave, aunque algunas de
las señales de asimetría presentes en las curvas indican la presencia de una
fuerza concentrada horizontal, en dirección aguas arriba, en el estribo lado
Caracas.
Se ha observado un incremento en las deflexiones horizontales que podrían
indicar no sólo una mayor frecuencia de choques contra las barandas o
brocales, sino también la posibilidad de desgarramientos locales del tablero,
en forma de agrietamientos longitudinales y quizá transversales de las
calzadas del puente, probablemente no visibles por la existencia de un
pavimento asfáltico.
42
Si este es el caso, podrían estarse presentando deformadas de cortante
superpuestas, debidas a la pérdida de rigidez al corte del tablero si éste tiene
agrietamientos longitudinales en el lado Caracas el más dañado en esta
forma.
4.
La base común al arco y a la pila, lado Caracas, no tiene lesiones
importantes visibles, excepto alguna grieta vertical cerca de los arranques,
en correspondencia con la posición probable de la articulación prefabricada
que se embebió en la base del arco; tal parece que las deformaciones que
haya sufrido la pila han causado lesiones sólo en la pila y en los pilotes que
la soportan, invisibles ante una inspección visual. El diseñador debió hacer la
base más fuerte que el miembro que llega a ella, o que los pilotes que la
soportan.
Aparentemente la única evidencia argumentable que indique que alguno de
los pilotes ya falló ha sido una perforación practicada en uno de ellos en
donde Ios indicios de elevada permeabilidad permiten pensar que al menos
el pilote muestreado haya fallado. Debe aclararse que los artículos históricos
sobre el puente no hablan de pilotes, sino de pozos rellenados con concreto,
sin especificar si había o no armadura. Dado que Freyssinet no solía colocar
acero no justificable por cálculo, como de hecho lo creían y practicaban los
maestros del pretensado de entonces.
43
En sitio se observa que en la transición entre la base de la pila y la pila
misma, hay una grieta horizontal que señala donde cedió el acero de la pila
hueca, y que por tanto la base tiene ya sus momentos aplicados desde arriba
acotados, al menos a flexión.
No se puede aún afirmar con certidumbre qué ha pasado con sus pilotes de
soporte, excepto el que las mediciones denotan un leve descenso vertical de
la pila, además de los movimientos horizontales complejos que ha sufrido, y
que debe decirse que es difícil precisar si ellos son causa o efecto de otras
cosas, pues no se puede observar claramente qué pasa bajo la pila y por
tanto poder decir ciertamente que las acciones deformantes provienen de
arriba hacia abajo (probablemente las más importantes), o de abajo hacia
arriba. Sin embargo, sí es claro que la base de la pila se ha movido bastante
menos que el estribo Caracas.
44
Relación entre la deformada vertical del tablero y su progresiva
correspondiente
Estos valores fueron tomados del informe realizado por la compañía
SISVALKO, Sistemas de Ingeniería y Computación C.A. al Ministerio de
Transporte y Comunicaciones, respecto a las mediciones realizadas al
Viaducto No. 1 Caracas-La Guaira, entregado en Marzo de 1.999.
Los gráficos que se encuentran a continuación son una comparación entre la
deformada de la acera aguas abajo y la deformada de la acera aguas arriba
contra la progresiva, dichos gráficos
fueron realizados
según datos
obtenidos anualmente.
La finalidad de estos gráficos es observar la torsión que existe en el tablero.
Esta se observa claramente al superponer los gráficos del tablero aguas
abajo y aguas arriba en donde ambos gráficos no coincidan es ahí donde se
encuentra la torsión. Es importante notar que la torsión existe en el sector del
tablero correspondiente al lado Caracas, en donde se presenta el
desplazamiento.
A continuación se muestran los valores de las deformadas verticales del
tablero en las aceras aguas arriba y aguas abajo y los gráficos
45
correspondientes.
Medición realizada en Diciembre de 1992.
Deformada vertical del tablero, acera aguas abajo
Tabla 1
Sitio
Progresiva
Rasante Teórica
Cota 1992
Delta Cota 1992
Ladera La Guaira
0
7,118
7,118
0
Estribo La Guaira
10,16
7,524
7,516
-0,8
11,79
7,59
7,586
-0,4
26,32
8,171
8,175
0,4
40,89
8,754
8,757
0,3
102,44
11,216
11,217
0,1
105,18
11,325
11,336
1,1
119.77
11,909
11,961
5,2
133,13
12,44
12,53
9
Clave 1
180,39
14,334
14,574
24
Clave 2
184,42
14,495
14,748
25,3
Pilastra Caracas
262,62
17,623
17,571
-5,2
265,42
17,735
17,669
-6,6
280,01
18,318
18,243
-7,5
294,55
18,9
18,81
-9
Estribo Caracas
309,22
19,487
19,392
-9,5
Ladera Caracas
310,65
19,544
19,447
-9,7
Ladera Caracas 2
315,65
19,744
19,5224
-22,16
Pilastra La Guaira
46
Deformada vertical del tablero, acera aguas arriba
Tabla 2
Sitio
Progresiva
Rasante Teórica
Cota 1992
Delta Cota 1992
Ladera La Guaira
0
7,123
7,123
0
Estribo La Guaira
10,16
7,529
7,528
-0,1
11,79
7,595
7,599
0,4
26,32
8,176
8,178
0,2
40,89
8,759
8,76
0,1
102,44
11,221
11,221
0
105,18
11,33
11,329
-0,1
119,77
11,914
11,953
3,9
133,13
12,448
12,547
9,9
Clave 1
180,39
14,339
14,573
23,4
Clave 2
184,42
14,5
14,734
23,4
Pilastra Caracas
262,62
17,628
17,549
-7,9
265,42
17,74
17,645
-9,5
280,01
18,323
18,213
-11
294,55
18,905
18,781
-12,4
Estribo Caracas
309,22
19,492
19,322
-17
Ladera Caracas
310,65
19,549
19,391
-15,8
Ladera Caracas 2
315,65
19,749
19,53
-21,9
Pilastra La Guaira
47
Progresiva Vs. Cota, 1992
30
20
Delta Cota 1992
10
0
0
10
-10
20
Progresiva Vs.
Cota, Acera
aguas abajo
Progresiva Vs.
Cota, aguas
arriba
-20
-30
Progresiva
Fuente: SISVALKO. Sistemas de Ingeniería y Computación.
48
Medición realizada en Octubre 1997.
Tabla 3
Rasante
Sitio
Progresiva
Teórica
Cota1997
Delta Cota 1997
Ladera La Guaira
0
7,118
7,117
-0,1
Estribo La Guaira
10,16
7,524
7,514
-1
11,79
7,59
7,586
-0,4
26,32
8,171
8,186
1,5
40,89
8,754
8,759
0,5
102,44
11,216
11,217
0,1
105,18
11,325
11,334
0,9
119.77
11,909
11,975
6,6
133,13
12,44
12,56
12
Clave 1
180,39
14,334
14,635
30,1
Clave 2
184,42
14,495
14,808
31,3
Pilastra Caracas
262,62
17,623
17,576
-4,7
265,42
17,735
17,673
-6,2
280,01
18,318
18,242
-7,6
294,55
18,9
18,808
-9,2
Estribo Caracas
309,22
19,487
19,383
-10,4
Ladera Caracas
310,65
19,544
19,44
-10,4
Ladera Caracas 2
315,65
19,744
19,521
-22,3
Pilastra La Guaira
49
Tabla 4
Rasante
Sitio
Progresiva
Teórica
Cota 1997
Delta Cota 1997
Ladera La Guaira
0
7,123
7,123
0
Estribo La Guaira
10,16
7,529
7,527
-0,2
11,79
7,595
7,598
0,3
26,32
8,176
8,179
0,3
40,89
8,759
8,763
0,4
102,44
11,221
11,222
0,1
105,18
11,33
11,331
0,1
119,77
11,914
11,969
5,5
133,13
12,448
12,577
12,9
Clave 1
180,39
14,339
14,635
29,6
Clave 2
184,42
14,5
14,794
29,4
Pilastra Caracas
262,62
17,628
17,547
-8,1
265,42
17,74
17,639
-10,1
280,01
18,323
18,207
-11,6
294,55
18,905
18,776
-12,9
Estribo Caracas
309,22
19,492
19,297
-19,5
Ladera Caracas
310,65
19,549
19,371
-17,8
Ladera Caracas 2
315,65
19,749
19,511
-23,8
Pilastra La Guaira
50
Progresiva Vs. Cota 1997
40
30
Delta Cota 1997
20
10
0
0
10
20
Progresiva Vs.
Cota, Acera
aguas abajo
Progresiva Vs.
Cota, Acera
aguas arriba
-10
-20
-30
Progresiva
51
Medición realizada en Septiembre de 1998.
Tabla 5
Sitio
Progresiva
Rasante Teórica
Cota 1998
Delta Cota 1998
Ladera La Guaira
0
7,118
7,115
-0,3
Estribo La Guaira
10,16
7,524
7,512
-1,2
11,79
7,59
7,585
-0,5
26,32
8,171
8,176
0,5
40,89
8,754
8,758
0,4
102,44
11,216
11,217
0,1
105,18
11,325
11,334
0,9
119.77
11,909
11,977
6,8
133,13
12,44
12,565
12,5
Clave 1
180,39
14,334
14,643
30,9
Clave 2
184,42
14,495
14,816
32,1
Pilastra Caracas
262,62
17,623
17,577
-4,6
265,42
17,735
17,673
-6,2
280,01
18,318
18,238
-8
294,55
18,9
18,808
-9,2
Estribo Caracas
309,22
19,487
19,384
-10,3
Ladera Caracas
310,65
19,544
19,433
-11,1
Ladera Caracas 2
315,65
19,744
19,519
-22,5
Pilastra La Guaira
52
Tabla 6
Sitio
Progresiva
Rasante Teórica
Cota 1998
Delta Cota 1998
Ladera La Guaira
0
7,123
7,122
-0,1
Estribo La Guaira
10,16
7,529
7,526
-0,3
11,79
7,595
7,596
0,1
26,32
8,176
8,179
0,3
40,89
8,759
8,763
0,4
102,44
11,221
11,222
0,1
105,18
11,33
11,331
0,1
119,77
11,914
11,972
5,8
133,13
12,448
12,582
13,4
Clave 1
180,39
14,339
14,646
30,7
Clave 2
184,42
14,5
14,806
30,6
Pilastra Caracas
262,62
17,628
17,545
-8,3
265,42
17,74
17,637
-10,3
280,01
18,323
18,206
-11,7
294,55
18,905
18,776
-12,9
Estribo Caracas
309,22
19,492
19,297
-19,5
Ladera Caracas
310,65
19,549
19,367
-18,2
Ladera Caracas 2
315,65
19,749
19,507
-24,2
Pilastra La Guaira
53
40
30
Delta cota 1998
20
10
0
0
10
20
Progresiva Vs.
Cota, Acera
aguas abajo
Progresiva Vs.
Cota, Acera
aguas arriba
-10
-20
-30
Progresiva
54
Medición realizada en Marzo de 1999.
Tabla 7
Rasante
Sitio
Progresiva
Teórica
Cota 1999
Delta Cota 1999
Ladera La Guaira
0
7,118
7,117
-0,1
Estribo La Guaira
10,16
7,524
7,516
-0,8
11,79
7,59
7,586
-0,4
26,32
8,171
8,177
0,6
40,89
8,754
8,76
0,6
102,44
11,216
11,216
0
105,18
11,325
11,333
0,8
119.77
11,909
11,978
6,9
133,13
12,44
12,565
12,5
Clave 1
180,39
14,334
14,647
31,3
Clave 2
184,42
14,495
14,82
32,5
Pilastra Caracas
262,62
17,623
17,575
-4,8
265,42
17,735
17,671
-6,4
280,01
18,318
18,239
-7,9
294,55
18,9
18,809
-9,1
Estribo Caracas
309,22
19,487
19,38
-10,7
Ladera Caracas
310,65
19,544
19,431
-11,3
Ladera Caracas 2
315,65
19,744
19,518
-22,6
Pilastra La Guaira
55
Tabla 8
Rasante
Sitio
Progresiva
Teórica
Cota 1999
Delta Cota 1999
Ladera La Guaira
0
7,123
7,123
0
Estribo La Guaira
10,16
7,529
7,526
-0,3
11,79
7,595
7,591
-0,4
26,32
8,176
8,181
0,5
40,89
8,759
8,763
0,4
102,44
11,221
11,224
0,3
105,18
11,33
11,332
0,2
119,77
11,914
11,972
5,8
133,13
12,448
12,583
13,5
Clave 1
180,39
14,339
14,65
31,1
Clave 2
184,42
14,5
14,809
30,9
Pilastra Caracas
262,62
17,628
17,543
-8,5
265,42
17,74
17,635
-10,5
280,01
18,323
18,205
-11,8
294,55
18,905
18,775
-13
Estribo Caracas
309,22
19,492
19,294
-19,8
Ladera Caracas
310,65
19,549
19,365
-18,4
Ladera Caracas 2
315,65
19,749
19,506
-24,3
Pilastra La Guaira
56
40
30
Delta Cota 1999
20
10
0
0
10
20
Progresiva Vs.
Cota, acera
aguas abajo
Progresiva Vs.
Cota, acera
aguas arriba
-10
-20
-30
Progresiva
57
Principios considerados en la interpretación de las observaciones:
1. La respuesta estructural del puente no debe cambiar sensiblemente si la
estructura se traslada o gira como un todo, es decir, no sería de mucho
interés, excepto para otros propósitos, el saber exactamente donde está
cada parte, interesa mucho más determinar cuáles han sido sus cambios de
forma. Aún los cambios de pendiente, si no implican la existencia de cambios
de la forma estructural original, tendrían sólo valor para juicios globales, es
decir indicarían la presencia de una perturbación en gran escala del terreno
subyacente, la cual podría eventualmente no implicar daños estructurales en
el viaducto mismo.
2.
El
Puente
probablemente
no
fue
diseñado
para
movimientos
excepcionales del estribo, ni para acortamientos cordales del arco.
3. Se considera al arco como biarticulado, es decir, continuo a través de la
clave, siempre y cuando las fuerzas resultantes de compresión de la clave
estén dentro de su núcleo central.
4. La hipótesis referente al funcionamiento del arco como biarticulado se
considera razonable para el caso en el que se garantice la presencia de
compresiones toda la sección de la clave. También se puede considerar la
58
biarticulación del arco en presencia de fuerzas eólicas de magnitudes poco
significativas comparadas con el peso del puente.
5. Si la estructura del viaducto presenta deformaciones (levantamientos de
clave) inducidas por cambios posicionales de las bases del arco, el arco
podría no estar biarticulado, pues no estaría experimentando variaciones
previstas en el proyecto. El tipo de junta de la clave no garantiza
necesariamente la continuidad incondicional de la estructura del arco;
pudiendo ésta comportarse, para éstas solicitaciones excepcionales, de
acuerdo a un esquema de respuestas locales diferente al supuesto para su
proyecto estático.
59
CONFIRMACIÓN
DEL
FUNCIONAMIENTO
DEL
ARCO
COMO
TRIARTICULADO
El topógrafo Pascual De Leo, quien ha sido el principal encargado de realizar
durante varios años las múltiples mediciones del Viaducto Nº 1, realizando
triangulaciones, nivelaciones y mediciones con elongámetros, ha observado
el macromovimiento de la ladera, donde está fundada la Pilastra Caracas y la
deformación que ésta ha producido en estructura. La interpretación de las
mediciones, llevó a De Leo a formular la hipótesis de una posible articulación
que pudiese estar presentándose en la clave del arco, lo cual implicaría que
éste trabaja como un arco triarticulado y no biarticulado, tal como fue
considerado en su diseño.
El estudio realizado a partir de los datos topográficos, se basa en la relación
que existe entre la información planimetría con la altimétrica, es decir, la
relación entre el acortamiento del arco y la elevación de la clave. Usualmente
estos hechos son analizados por separado, sin embargo, De Leo estima que
al unirlos y verlos en un conjunto, se facilita la visualización de un modelo de
comportamiento estructural del Viaducto, lo cual es fundamental para el
alcance de los objetivos de este trabajo.
A continuación se presenta el contenido de la investigación realizada por De
60
Leo con la finalidad de confirmar la suposición de la existencia de una
articulación en la clave del arco; si efectivamente es confirmada esta
hipótesis, se desprendería de ello la conclusión de que los dos semiarcos
estarían trabajando de manera aislada.
Con la finalidad de determinar la forma y la deformación que presenta la
estructura, se llevaron a cabo, desde el año 1993 hasta el año 1999,
mediciones sobre el plano horizontal y el plano vertical que permitieran
observar la curvatura en dichos planos. El estudio se basó, además, en una
recopilación de información de las mediciones realizadas, por la empresa
Tranarg desde el 1987 hasta el 1993.
Para esta investigación fue utilizada la información planimétrica que refleja el
desplazamiento horizontal y la información altimétrica que evidencia el
levantamiento de la clave. La integración de datos altimétricos y
planimétricos permitieron establecer relación existe entre el acortamiento de
la cuerda debida a la disminución de la distancia entre las bases del arco y
el correspondiente aumento de la flecha.
Las mediciones indican, que el macro movimiento del terreno, hace que la
fundación de la pilastra Caracas, se desplace hacia el centro de la quebrada
produciendo el acortamiento de la cuerda del arco. Se descarta que el
61
acortamiento de la cuerda sea causado por el movimiento de la pilastra La
Guaira, pues se ha demostrado que ésta permanece estática.
Para el incremento de la flecha, se debe tomar en cuenta, que el constructor
realizó el tablero, sobre una línea que tenia una pendiente de proyecto del
4%. De manera que la flecha actual se debe calcular haciendo pasar una
recta teórica, por el tope de las dos pilastras y comparando estas cotas, con
las encontradas en campo en las diferentes fechas en las que se han
efectuado mediciones. De esta manera el hundimiento de la Pilastra
Caracas, no interferiría en el cálculo de la flecha.
Para efectos de ésta investigación, se parte del principio de suponer los dos
semiarcos como cuerpos independientes o figuras aisladas y que lo único
que tienen en común es que se tocan en sus vértices. Sin embargo el arco
no fue construido para que funcionase de tal manera, suposición que se
desprende de la inexistencia de un nodo o articulación en el centro del arco.
Por el contrario, se observa una continuidad del tablero y de los tres arcos
que conforman el gran puente. Probablemente la continuidad del vaciado y
del acero, en el centro del arco, hace que el viaducto, este aun funcionando.
El razonamiento que lleva a De Leo a encontrar la relación entre el
acortamiento de la cuerda y la elevación de la clave del arco se basa en lo
62
siguiente:
“Si hacemos tocar dos triángulos en sus puntas superiores y disminuimos la
distancia entre las puntas inferiores, que serian en este caso los apoyos, las
puntas superiores se levantaran en función de la relación de los catetos. Así
que a diferentes triángulos, le corresponderán diferentes coeficientes”.
Los coeficientes correspondientes al caso del Viaducto Nº 1 se hallan a
continuación:
Figura 27. Condición normal del arco
80 * Tan 24,227º = 36,00 m
63
Figura 28. Acortamiento de la cuerda del arco y elevación de la clave
79,8 * Tan 24,54 = 36,41 m
Elevación de la clave = 0,441 m
Acortamiento de la cuerda del arco = 0,40 m
0,441 : 0,40 = 1,10
Para nuestro caso, donde los catetos son exactamente 80 metros de base x
36 metros de altura, el coeficiente es 1 : 1,10. Es decir que a un acortamiento
de la cuerda de 1, le corresponde un levantamiento del centro del arco de
1,10. Si el viaducto hubiera sido construido con una articulación en el centro,
ese seria el coeficiente natural. Pero como no tiene articulación prevista en el
centro, su comportamiento ha sido una combinación.
Hasta el año 1993 dicho coeficiente fue 0,96 0,55 025….Arrojando un
64
promedio de 0,62 muy por debajo del lógico y natural 1,10, que hubiera
justificado la articulación ya para esa fecha. Pero del 1994 en adelante, si
hubo un cambio de comportamiento y que me atrevo a llamar "Disparo", ya
que la relación, pasó en solo un año (1994) de 1,09 a 5,00 luego 0,67 a
4,33... 2,75 ... Arrojando un promedio en el año 1994 en adelante, de 3,00
(de 0,62 a 3,00)”.
De la notable variación en el tiempo de los coeficientes, se desprendió la
siguiente conclusión:
El Arco con su peso, con su rigidez en el centro, y con su continuidad
longitudinal del tablero, que trabaja como dos grandes puntales horizontales,
que se unen en el centro, no permitía que se moviera a la relación lógica de
1,10. Esto fué hasta al año1993. Luego, en el año 1994, se superó ese
conjunto de esfuerzos y condiciones, lo que ocasionó el cambio abrupto de
1,09 a 5,00.
El viaducto se articuló y disipó todas las cargas comprimidas que tenía y
probablemente se esta comportando al 1.10, pero articulado.
Esta investigación confirma, que la deformación del viaducto que sucedió,
aproximadamente, en el año 1994, provocó un cambio de comportamiento de
65
la estructura del viaducto, ya que a partir de esa fecha, los semiarcos
trabajan independientemente y de forma articulada.
66
Relación entre el acortamiento de la cuerda y el incremento de la flecha
A continuación se encuentra el gráfico que muestra la relación existente
entre el acortamiento de la cuerda y el incremento de la flecha. Dichos
valores fueron medidos por el topógrafo Pascual De Leo y fueron
presentados en un trabajo especial
para la Universidad Católica Andrés
Bello, titulado ¿ Está o no articulado el viaducto N°1 de la autopista CaracasLa Guaira?. A continuación se presentan los valores:
Tabla 9
Relación acortamiento de la cuerda y el incremento de la flecha
Flecha
Fecha
∆Flecha /
Acortamiento
del arco ∆ Flecha
del arco
∆Acortamiento ∆Acortamiento
1988
20,44
0
1,4
0
0
1989
22,6
2,16
3,7
2,3
0,93913043
1990
23,8
1,2
5,9
2,2
0,54545455
1991
24
0,2
6,7
0,8
0,25
1992
26
2
9,3
2,6
0,76923077
1993
26,4
0,4
12,3
3
0,13333333
1994
28,8
2,4
14,5
2,2
1,09090909
1995
29,8
1
14,7
0,2
5
1996
31
1,2
16,5
1,8
0,66666667
1997
32,3
1,3
16,8
0,3
4,33333333
1998
33,4
1,1
17,2
0,4
2,75
1999
35,2
1,8
18
0,8
2,25
67
Relación ente la flecha y el acortamiento anual
6
R e lac ión Flecha/A cortam ie n
5
4
3
2
1
0
1986
1988
1990
1992
1994
1996
Fecha
Fuente: Topógrafo Pascual De Leo
1998
2000
68
SOLUCIONES ESTRUCTURALES PROPUESTAS PARA EL RESCATE DE
LA ESTRUCTURA DEL VIADUCTO Nº 1
La estructura del Arco del Viaducto Nº 1, ha estado sometida a solicitaciones
anómalas que se consideran hasta los momentos, dentro del rango elástico
de la estructura, producto del deslizamiento de la Ladera Sur (lado Caracas).
Sin embargo, un incremento en la magnitud de estas solicitaciones, que no
fueron previstas en el diseño de la estructura del viaducto, constituyen una
amenaza para su estabilidad.
La complejidad del problema no está dada sólo por la gravedad de sus
consecuencias a largo plazo, sino también por la variación impredecible de
las condiciones de solicitaciones a las cuales está sometida la estructura.
Siendo, principalmente, el empuje del suelo lo que ha producido la
deformación del viaducto, no es posible
predecir con exactitud el
comportamiento a futuro de esta gran masa de suelo en movimiento cuyos
esfuerzos son transmitidos a la estructura; por lo tanto, si se observa una
estabilidad parcial del movimiento, no sería esto indicativo de que el
desplazamiento del estribo Caracas haya sido detenido definitivamente.
Tomando en cuenta la importancia de la autopista Caracas-La Guaira desde
el punto de vista económico, social y estratégico, resulta imprescindible la
69
toma de una solución, con suficiente respaldo técnico, que garantice la
estabilidad definitiva de la estructura del viaducto. A continuación se
presentan, algunas soluciones que han sido propuestas para el rescate del
Viaducto Nº 1:
Solución propuesta por el Ing. Eduardo Arnal
En el año de 1988 el Ing. Eduardo Arnal dirige una comunicación al
Ministerio de Transporte y Comunicaciones, presentándole una Solución
Estructural para el Viaducto Nº1, que permita extender su vida útil. Esta
solución consiste en apoyar la calzada mediante traviesas y vigas maestras
metálicas en columnas verticales e inclinadas, tubulares y metálicas,
soportadas en pilas de gran diámetro, fundadas en el lecho de la quebrada
Tacagua sobre una roca sana.
Considera el Ing. Arnal, que el soporte adicional podría construirse sin
ninguna interferencia con el uso del Viaducto en un plazo muy corto. Una vez
terminado el soporte, propone cortar la rótula Sur del Arco, relevándolo de
las presiones que le ocasione el deslizamiento de su apoyo. El estribo
Caracas sería construido de forma tal que permitiese ajustarse a los
movimientos.
70
La solución del Ingeniero Eduardo Arnal, fue sometida a la consideración de
la empresa JEAN MULLER INTERNACIONAL, los cuales consideraron que
las vigas transversales de Acero, creaban un conflicto con el Arco, ya que no
tenían espacio físico para su colocación. Además estimaron que los
cordones cercanos a los soportes requerirían soldaduras especiales siendo
su ensamblaje y puesta en servicio una tarea de 4 años. Trabajo que según
el Ing. Arnal se podría ejecutar en un lapso de tiempo muy corto, con
tecnología Nacional.
Se consideró la solución del Ing. Eduardo Arnal como viable desde el punto
de vista Técnico, tomando en consideración que su idea fue plasmada en
croquis de trabajo, y a nivel de anteproyecto, sin la profundidad que implica
el proyecto definitivo de cálculo y detalles constructivos. Sin embargo, una
solución de estas características, implicaría unas deformaciones en sus
elementos de Acero del orden de los 20 cms (valor calculado por el Ing.
Arnal); su influencia en el comportamiento constructivo debería ser estudiado
en la etapa de proyecto, en combinación con la transferencia de carga que
se produce una vez demolida la articulación existente.
A pesar de no haberse materializado, la propuesta del Ingeniero Eduardo
Arnal, indica un camino, es la posibilidad de obtener soluciones razonables,
sin caer en una actitud negativa de dar por condenada una estructura, que
71
podría ofrecer muchos años más de servicio.
Solución propuesta por el Ing. Juan Otaola
El Ingeniero Juan Otaola, en correspondencia dirigida a la Comisión
Presidencial de alto nivel técnico, en Marzo de 1990, propone una Solución
que había planteado en varias oportunidades al Colegio de Ingenieros y al
Ministerio de Transporte y Comunicaciones, y que dice textualmente:
"La solución estaría basada en una Losa de Concreto ligeramente curvada
en forma parabólica (radio no menor de 500 metros), que iría del apoyo del
Arco Sur (Caracas) a la Ladera Norte (La Guaira) de la montaña bajo el
viaducto y apoyada sobre un relleno inclinado. Esta losa se contrastaría para
poder corregir los valores teóricos con los datos reales"
De esta información, no suficientemente detallada, se dedujo que la losa
propuesta, es una estructura con una cuerda de aproximadamente 154
metros de longitud entre las dos fundaciones del Arco, como un elemento de
tranca que transmitiera la fuerza axial que produce las fundaciones del Lado
Caracas, al tratar de desplazarse por los efectos de la falla existente en la
Ladera Sur. Ello generaría componentes verticales y horizontales propias del
sentido y la dirección del elemento curvo (losa), y una componente
72
tangencial a lo largo de la losa cuya deformación tiende a empujar el relleno
inferior el cual, como todo cuerpo deformable (dependería del relleno a ser
utilizado) tiende a comprimirse en búsqueda del equilibrio de esfuerzo, lo que
conduce a un desplazamiento horizontal de la fundación Sur del arco,
inevitable e indeseable.
De lo anteriormente expuesto, se desprenden varias conclusiones:
1. La Losa curva, para que desarrolle su acción pasiva, dependerá de la
retracción del concreto, hecho este que pudiese solucionarse en parte,
con la ubicación de gatos entre las fundaciones del arco y la losa; sin
embargo no solucionaría el efecto de fluencia lenta del concreto.
2. Tal y como esta concebida la solución de la losa curva, es decir
paralela al sentido del Arco, no soluciona la componente de fuerza
provocada por el deslizamiento de la Ladera Sur (40 grados con el eje
del viaducto), es decir, no sería efectiva contra el desplazamiento
transversal del Viaducto.
3. La compresibilidad del relleno hasta lograr el equilibrio, generaría un
desplazamiento no deseable en la fundación Sur del Arco del
Viaducto.
73
4. La componente vertical de levantamiento sobre las fundaciones del
arco, una vez que empiece a trabajar axialmente la losa (rígida), por el
empuje desarrollado por la Ladera, pudiese superar las cargas verticales
propias del viaducto, y cuyo plazo en tiempo dependería del empuje
anteriormente
descrito
no
cuantificable
por
lo
impredecible
del
deslizamiento de la Ladera Sur.
Solución propuesta por la Empresa Mecánica Aceroton C.A
En Febrero de 1990, la Empresa Mecánica Aceroton C.A, presentó un
Estudio de reparación del Viaducto Nº1, al Ministerio de Transporte y
Comunicaciones, en nombre de la empresa FREYSSINET preparado por el
profesor Roger Lacroix. Por los conceptos emitidos y la importancia del
mismo, lo transcribimos a continuación:
Generalidades:
"El principio general es de colocar la mitad del viaducto (lado Caracas) sobre
apoyos deslizantes, quiere decir el estribo, las dos pilas en el tramo de
acceso y la pila principal. Una vez en sus apoyos deslizantes el viaducto,
será periódicamente realineado por medio de gatos hidráulicos. Esta
periodicidad estará en función de la velocidad del desplazamiento del terreno
74
y de las deformaciones que pueda aceptar el viaducto.
El recorrido del deslizamiento a prever, es función de la velocidad de
desplazamiento del terreno y de la duración de vida futura estimada del
viaducto.
La estabilidad al viento del viaducto está asegurada por el tablero, que
funciona como una viga horizontal; el estribo, una vez puesto sobre sus
apoyos deslizantes tendrá que tener un tope lateral.
La colocación de los apoyos deslizantes del estribo y de las dos pilas del
tramo de acceso, no esta explicada en el estudio, ya que de hecho se
considera mucho más sencilla que la colocación de la pila principal sobre sus
apoyos deslizantes.
La secuencia de los trabajos tendrá que ser del estribo hacia la pila
principal".
Pila Principal: Hipótesis
"Esfuerzos verticales: 3.600 tons. En los 4 pilotes lado del valle y 3.450 tons
en los 3 pilotes del lado talud. Esfuerzos inclinados 5.400 tons. en los 3
75
pilotes inclinados y 6.370 tons en las articulaciones del eje o arco.
La toma de los empujes horizontales del arco se hará por medio de tres
tirantes compuestos por torones galvanizados y protegidos, que trabajarán el
40% de la ruptura. El empuje vertical sobrecarga los pilotes verticales en
aproximadamente un 38%. Hay que considerar también que los pilotes del
lado talud se sobrecargarán durante el deslizamiento debido a que la carga
se va descentrando durante el deslizamiento, por esto se ha previsto duplicar
el número de pilotes .
Los apoyos deslizantes han sido previstos con un recorrido de 500 mm. y
según la dirección promedio del movimiento actual del desplazamiento (45
grados del eje del viaducto aproximadamente). Este recorrido puede ser
aumentado".
Trabajos requeridos por etapas:
1. Cortar las conexiones entre la fundación de la pila 9 del acceso y la
pila principal. Realizar los macizados donde se anclarán los tirantes
que tomarán los esfuerzos horizontales de los arcos. Perforación a
través del concreto existente antes de vaciar los macizados o
perforación de la totalidad, posterior al vaciado de estos mismos.
76
Realización de la parte exterior de los macizados con la incorporación
de las placas de apoyo de la cabeza de anclaje de los tirantes. Unión
de los elementos del macizado entre ellos por medio de barras de
pretensado y fijación de las mismas con resinas en las partes
antiguas.
2. Convertir el pedestal en monolítico: Unir los macizados de anclaje
entre ellos por medio de una viga pretensada colocada la parte baja
del pedestal del lado talud.
3. Perforación de agujeros pasantes a través de la parte superior de los
pilotes inclinados. Conservando las muestras de concreto de manera
de poder determinar posteriormente su módulo de elasticidad.
4. Excavación por debajo del pedestal y realización de 7 nuevos pilotes
similares a los pilotes existentes. Concretar un macizado soporte que
reposa sobre un material deformable y que no esta solidarizado a los
antiguos pilotes.
5. Colocar sobre el macizado soporte en los ejes de los nuevos pilotes,
unos suplementos de concreto que tendrán en su parte superior los
bloques de gatos planos. Colocar igualmente suplementos de
77
seguridad fabricados de bloques de concreto con chapas de acero por
encima.
6. Aplicar presión a los gatos planos hasta llegar a la carga teórica que
soporta el pedestal. Los gatos se alimentarán con tres grupos
separados de manera de no realizar una rótula hidráulica. Colocar
chapas de acero suplementarias en los suplementos de seguridad.
Cortar los antiguos pilotes entre el pedestal y el nuevo macizado de
soporte, y nivelar las superficies cortadas.
Nota: En caso de existir desplazamientos transversales en el momento del
corte de los antiguos pilotes y a pesar de que la estructura esta ligada a los
pilotes inclinados, habría que proceder a construir en la fase 3 los tacos
laterales previstos en la fase 7 de manera de bloquear lateralmente el
pedestal con relación al macizado de soporte a través de los ajustadores.
7. Colocar en la parte superior de los pilotes cortados y nivelados, unos
suplementos de concreto con bloques de gatos planos en la parte
superior. Aplicar presión a estos nuevos conjuntos de gatos planos de
manera de repartir lo mejor posible la carga entre los antiguos y
nuevos pilotes. Inyectar el espacio entre los antiguos pilotes y el
nuevo macizado de soporte.
78
8. Relajar la presión en los gatos planos de manera de dejar reposar el
pedestal sobre los suplementos de seguridad. Quitar todos los
bloques de los gatos planos y suplementos de concreto que lo
soportan. Colocar los sistemas de deslizamiento. Orientar las placas
de deslizamiento en la dirección del movimiento de la pila principal.
Concretar los topes laterales (si no fueran concretados en la fase 3,
ver nota de la fase 5). Colocar los ajustadores horizontales entre el
pedestal y los topes laterales. Colocar los extensiómetros en los
pilotes inclinados.
9. Poner en presión los gatos planos ubicados en los apoyos deslizantes
hasta que se despegue el pedestal de los suplementos de seguridad.
Los gatos se alimentarán con tres grupos independientes. Empezar a
colocar los torones de los tirantes (enfilaje y puesta en tensión torón
por torón). A medida que se tensan los torones se notará el alargamiento de los pilotes inclinados que resulta de su descompresión
(Extensiómetros) y el aumento de presión de los gatos planos. Cuando
todos los torones tengan la tensión teórica se comenzará a cortar el
pilote inclinado central. Después del corte se medirá la descompresión
total del pilote inclinado y se comparará al valor teórico. Se cortará de
la misma manera los otros pilotes inclinados.
79
10. Relajar la compresión en los gatos planos e inyectarlos con lechada
de cemento. Se procederá gato por gato. Se bloqueará los
ajustadores laterales, se colocará una tapa en los aclajes de tirantes.
Se construirá un muro en la periferia del macizado.
Reglaje:
Introducir gatos entre el pedestal y los topes laterales del macizado soporte.
Desenroscar los ajustadores laterales antagonistas y desplazar el pedestal
en relación al macizado soporte. Se procedería alternativamente entre los
dos ejes perpendiculares. Se colocaría si fuera necesario apoyos deslizantes
laterales. Se bloquearía de nuevo los ajustadores laterales.
Evaluación de la propuesta:
Apartando el posible costo y tiempo de ejecución de esta solución, se cree
que la reparación que propone la empresa Aceroton como representante de
la empresa Freyssinet en Venezuela, recuperaría al Viaducto su capacidad
de deformación elástica, y a la vez solucionaría los futuros movimientos del
terreno; sin embargo el espacio físico para la colocación de los pilotes
adicionales que se proponen es limitado, a la vez que se desconoce el
80
comportamiento real del pilotaje existente, el cual se encuentra fracturado.
Se consideró el replanteo esta solución en dos etapas muy bien definidas. La
primera de ellas, consiste en nuevas pilas, ubicadas laterales a la fundación
actual del arco Sur del Viaducto e implementando las mediciones adecuadas
de desplazamientos que los técnicos recomendasen; en caso de continuar
cediendo la nueva fundación, se implementaría la segunda etapa ya descrita
anteriormente, con los ajustes necesarios producto del cambios en la
secuencia del trabajo, y sobre un nuevo cabezal.
Solución propuesta por el Ing. Héctor Paredes
Basado en una idea original del año 1986 de una vía alterna a lo largo de la
quebrada Tacagua, que sustituya el tramo de la Autopista Caracas-La
Guaira, comprendido desde el Km. 0+750 de la autopista hasta el estribo
Caracas, por efecto de las fallas geológicas de la zona, estudio que se
desarrolló antes del indicio de movimientos importantes de la ladera
adyacente al Viaducto, que a raíz de la problemática detectada, la idea de la
variante se enfocó en descartar el Viaducto Nº1 empalmando la vía con el
estribo La Guaira. Se estima urgente la toma de una decisión económica y
razonable que alargue la vida útil de una estructura que aun pudiera prestar
años de servicio, sin abandonar la necesidad y conveniencia de la variante
81
de la autopista, pero que permita con tiempo y prudencia optimizar la
solución.
Por lo anteriormente descrito, el Ing. Héctor Paredes propuso la ubicación de
nuevas pilas, laterales a la fundación del arco Sur del viaducto, y que sean
capaces de soportar la totalidad de la carga, es decir 7000 ton. adicionándole
la carga proveniente del peso propio del nuevo cabezal.
Las nuevas pilas (2), verticales de gran capacidad a carga, con dimensiones
aproximadas de 1.20 metros de ancho y 5.00 metros de largo, deberían
llegar hasta la roca sana y su lado mayor se ubicaría paralelo al sentido del
desplazamiento de la Ladera Sur (40 grados con el eje del viaducto), unidas
entre sí mediante un Macro-Cabezal de 4 metros de altura aproximadamente,
capaz de soportar la carga vertical anteriormente descrita y combinando en
el cálculo definitivo de la sección, cables postensados (para disminuir la
sección del elemento estructural) y acero convencional.
El Macro-cabezal anteriormente descrito, debería ubicarse perpendicular al
empuje del terreno alineado verticalmente, con respecto al cabezal existente
y separado del terreno; el trabajo de excavación deberá ejecutarse antes del
vaciado de las pilas, ello colaboraría en la adaptación de una plataforma
adecuada para la ubicación de las máquinas necesarias para el pilotaje. Los
82
laterales del terreno excavado deberían soportarse con pantallas ancladas,
donde fuese necesario. Igualmente, existe la posibilidad de la colocación de
anclajes en el tope de la pila que permita tensarlos cuando sea necesario, y
solo cuando el empuje de la masa de la ladera Sur sobrepase el límite
prefijado de diseño de la pila, el cual debe ser calculado para todas las
condiciones de carga anteriormente descritas. El tablero del lado Caracas,
deberá ser reforzado con una estructura de acero que permita su
deslizamiento horizontal.
Posterior al vaciado del Cabezal, se procedería a cortar los pilotes verticales
existentes y continuar con las mediciones de observación de la conducta de
la nueva infraestructura implantada. Con ello se deja abierta una posibilidad
futura: en caso de que la nueva fundación ceda ante los empujes del terreno,
se pudiera pensar en la utilización de un sistema deslizante, mediante el cual
se controlarían los futuros desplazamientos.
Por último basándose en un informe que sobre mediciones del viaducto
presentaron los Ingenieros Mario Paparoni y Pedro Anselmi Cruz, sobre la
triarticulación de la estructura del arco en la clave del mismo, esta
triarticulación pudiese ser producto de un corte de concreto en la clave
mediante la técnica de chorros de agua a muy alta presión, mezclados con
una pequeña cantidad de abrasivos (arena) para obtener velocidades de
83
corte mucho mayores con las ventajas adicionales de cortes en línea recta
sin fracturas ni propagación de grietas, sin formación de chispas, sin crear
nubes de polvo y cuya tecnología Alemana ya ha sido utilizada con éxito en
Venezuela. El inconveniente que presenta esta alternativa, es la plataforma
de sostén que se necesita para poder ejecutarla.
Solución de estabilidad de la Ladera Sur mediante la construcción de
un terraplén
El objetivo del trabajo consiste en la elaboración del anteproyecto de la
solución geotécnica propuesta por la Comisión Presidencial de Alto Nivel
Técnico y contratada por el M.T.C. a la firma INGEOSOLUM C.A. Esta
solución planteada por la Comisión consiste en la construcción de un
terraplén sobre la Quebrada Tacagua, cuya función sería la de actuar de
contrafuerte a la ladera sur, sobre la cual se encuentra el estribo y el apoyo
de los arcos del viaducto, área, donde se han presentado movimientos del
terreno que han afectado a dicha estructura. El terraplén propuesto deberá
servir además como vía de emergencia, en el caso de que los movimientos
pudieran poner fuera de servicio temporal o definitivamente al viaducto.
El material de cartografía utilizado en el informe de Ingeosolum C.A, consiste
en los planos aerofotográficos del Plan Caracas, 1975, el levantamiento de
84
Aeromapas Seravenca, 1983; y un levantamiento realizado por Tranarg en
1991, que contiene el área del viaducto.
En cuanto al análisis de estabilidad, para la fecha de presentación del
informe objeto de este estudio, se desconocía el mecanismo del
deslizamiento, la forma y profundidad de la superficie de rotura, la resistencia
de los materiales cizallados y la influencia del agua subterránea en el
proceso. Actualmente estas incógnitas aún cuando no se han despejado
completamente, se conocen satisfactoriamente, quedando la influencia del
agua como el único punto que no ha sido posible definir.
Estudiada esta propuesta del terraplén, no se consideró como una solución
para salvar el Viaducto Nº 1, ya que entre otras cosas, aun cuando
teóricamente el mismo proporcionaría las 2000 o más toneladas por metro
lineal de fuerza de sostenimiento necesarias para estabilizar el terreno, los
cálculos realizados por otras firmas consultoras establecieron que los
factores de seguridad para el mismo son bajos (cercanos a 1.2).
Adicionalmente, esta solución presenta fallas que aparentemente no han sido
analizadas por quienes la recomiendan siendo las mismas: la influencia del
tiempo de ejecución y el desplazamiento horizontal necesario para
desarrollar el empuje pasivo.
Todo cuerpo deformable desarrolla esfuerzos de reacción solamente en
85
función de su deformación y un terraplén es un cuerpo muy deformable en
dirección horizontal. De acuerdo con los estudios geológicos que se han
desarrollado en relación a este problema en el sector, la roca que constituye
la ladera sobre la cual está apoyado el estribo Caracas del viaducto Nº 1,
tiene fracturas abiertas con separaciones que varían entre 0,25 y 0,50 m. y
aberturas entre 5 y 20 mm. Estas fracturas son aproximadamente
perpendiculares a la superficie del terreno y a la del deslizamiento, y su
abertura se interpreta como debida al deslizamiento en proceso.
Si se colocara un soporte rígido al pié, el deslizamiento se frenaría
progresivamente, o sea, que el estribo Caracas del Viaducto Nº 1 no se
estabilizaría hasta que todas las grietas entre este y el pié de la ladera se
hayan cerrado, lo que supondría un tiempo en años considerable en cálculos
conservadores, tiempo durante el cual podría ocurrir el colapso de la
estructura del Viaducto Nº 1.
Es importante destacar la posibilidad que existe de que con su construcción
se introduzcan solicitaciones de tal magnitud que originen cambios
contraproducentes en las condiciones de vinculación del viaducto.
Las mejoras y otras acciones debidas al terraplén, si bien realizaron una
serie de argumentaciones en relación a cual sería el efecto positivo o
86
negativo del mismo, en el informe presentado por Ingeosolum, argumentan
claramente en un párrafo, que "todas las hipótesis de movimientos a causa
del terraplén se deducen de estimaciones muy preliminares, las cuales
deberán ser objeto de un estudio detallado a nivel de proyecto definitivo",
razón por la cual sus estimaciones caerían también dentro de este ámbito
preliminar.
En cuanto a las características geométricas del terraplén, se señala que los
taludes
del
mismo
tendrían
las
máximas
pendientes
posibles,
considerándose que factores de seguridad al deslizamiento de FS > 1.10
serían suficientes para una obra de estas características, en la evaluación de
ésta propuesta, se consideró que un factor de seguridad igual o mayor a 1.20
sería más conveniente.
En cuanto a los materiales de préstamo a ser utilizados en la construcción
del terraplén, se consideró el inconveniente que resultaría la explotación de
cualquier frente de excavación en la ladera Norte (margen derecha de la
quebrada Tacagua), especialmente por la inestabilidad que ya muestran los
taludes y su proximidad a las áreas pobladas y a la carretera vieja de la
Guaira.
Si bien los cálculos realizados en cuanto a la cantidad de material de
préstamo disponible supera levemente el volumen necesario para su
87
construcción (aproximadamente 124.560 m3, adicionales), no se dan
alternativas de saque de material en caso de que por cualquier circunstancia
se requiera de un volumen mayor al señalado (1.372.140 m3) además, el
volumen requerido para su construcción podría variar sensiblemente y no se
ha demostrado la existencia de material suficiente en la zona para su
utilización como préstamo.
En cuanto a los materiales de los préstamos, la información de que se
dispone es sumamente imprecisa; los rendimientos para las excavaciones
solo deben tomarse como indicativos (plan de excavación). Adicionalmente el
préstamo tiene limitaciones por comprender una zona inestable en el macizo
rocoso.
En cuanto al acarreo de materiales provenientes de préstamos debería
precisarse como se llevará a cabo esta actividad, anteponiendo reglas que
deben ser cumplidas por el contratista sin depender de su habilidad para
efectuarlas.
Pantalla anclada para la estabilización de la segunda Pila Quebrada
Tacagua.
La Comisión de Alto Nivel Técnico designada por el Ministerio de Transporte
y Comunicaciones, recomendó en su informe de Mayo 1990 continuar con la
88
estabilización de la ladera ubicada entre el estribo Caracas y la segunda pila
articulada del lado Sur del viaducto Nº 1, en una franja seleccionada según
los posibles límites del terraplén. Con ello se afecta la geometría de la nueva
estabilización al condicionar su construcción de tal forma que no interfiera
con el terraplén y la galería exploratoria, el cual, nunca llegó a construirse.
En el desarrollo del proyecto de estabilización se utilizó información de
planos a diferentes escalas, combinándolos entre sí, observándose durante
el proceso algunas diferencias topográficas. Hubiera sido deseable durante
el desarrollo del proyecto chequear topográficamente donde fuese necesario,
para de esta manera producir un proyecto fiel, de manera de obtener
cantidades de obra lo más exactas posibles. Es probable que esta actividad
no le haya sido encomendada a la empresa proyectista de la pantalla.
La efectividad de la estabilización está condicionada por el efecto de
conjunto que pueda desarrollar la masa rocosa estabilizada por medio de los
diversos anclajes y el sellado de las discontinuidades con la lechada de los
mismos, debido a que los esfuerzos que se generan por el deslizamiento son
superiores a los esfuerzos resistentes. La pantalla está constituida por cuatro
franjas de anclajes distribuidos de la manera siguiente:
Un primer cordón en su cresta, constituido por anclajes activos e
89
instrumentación; luego una franja de anclajes pasivos de 36 m. de longitud; a
continuación le sigue una franja de anclajes pasivos de 30 m. de longitud y
por último una franja de anclajes pasivos de 24 m. de longitud, conformando
en su totalidad el área estabilizada.
En relación a la colocación de los anclajes activos, todos estarían orientados
en planta, de tal manera que formen un ángulo de 42º con el eje del viaducto.
Con ello se pretende orientarlos en dirección contraria al vector
desplazamiento promedio de la ladera. Esto es adecuado debido a que así
se aprovecharía la resistencia máxima del anclaje, en caso contrario, se
disminuiría su efectividad.
En cuanto a los fundamentos que sirvieron de juicio para la definición de la
longitud, inclinación y orientación de los anclajes pasivos se consideró que
se ajustaban a las exigencias.
En relación a los anclajes activos se consideraron, en esa oportunidad,
adecuadas las indicaciones que sobre el tensado y la prueba de aceptación y
rechazo se pensaba ejecutar sobre los mismos, asi como también las,
pruebas de carga a realizarse durante la ejecución de la pantalla.
En cuanto a las especificaciones generales constructivas de los anclajes
90
pasivos que acompañaban esta propuesta, se consideró que las mismas
cubrían las exigencias que el desarrollo de este tipo de obra ingenieril
requiere a nivel de control de calidad.
Informe relacionado con el deslizamiento que afecta al Viaducto Nº 1
realizado por el Ing. Richard Goodman
El Ing. Richard Goodman presenta en éste informe su apreciación en
relación a la gama de posibilidades que se podrían adoptar para el rescate
del Viaducto. En éste informe no se describe explícitamente una solución
específica, pero si se abarcan varios principios en los que podría basarse el
diseño de un proyecto de reparación.
Los métodos propuestos para el rescate del viaducto Nº 1 de la autopista
Caracas-La Guaira, en general, se basan en los siguientes principios:
•
Detener el deslizamiento antes de que destruya el puente: por medio
de drenajes, excavaciones, anclajes de gran capacidad o por relleno
del valle.
•
Haciendo al puente más seguro, independizándolo de la influencia del
deslizamiento; desacoplándolo del mismo mediante recalces y
excavaciones.
91
En cuanto a la influencia que podría tener la presencia de aguas
subterráneas en el comportamiento de la estructura del viaducto, el Ing.
Richard Goodman, señala que si hubiese una mesa de agua subterránea
que alcanzase la base del deslizamiento creando fuerzas hidráulicas
desestabilizadoras, debería haber sido ya descubierta. En relación a este
señalamiento se considera que si bien en el total de perforaciones realizadas
en las cercanías del Viaducto Nº 1 y en el Macizo Rocoso solamente en muy
pocas de ellas se reportó la presencia de nivel freático, las mismas no fueron
desarrolladas pensando en la influencia del agua subterránea, sino que por
el
contrario
fueron
realizadas
para
obtener
información
geotécnica
(profundidad de la superficie de falla, ángulo de fricción del material, etc.),
que pudiera dar indicios de la causa del problema que presenta el sector. Un
claro ejemplo de ello lo evidencia el hecho de que en todas estas
perforaciones no fueron instalados piezómetros para determinar la posible
presencia de presiones hidrostáticas en la masa rocosa.
También se descartó la posibilidad de que las aguas subterráneas existentes
a profundidades por debajo del deslizamiento tengan influencia sobre el
mismo.
En relación al proceso de excavación, se cree que los sucesivos cortes y
reperfilamientos de los cuales han sido objeto los diferentes taludes,
92
ubicados en los tres primeros kilómetros de la autopista Caracas-La Guaira,
han traído como consecuencia la liberación de esfuerzos geostáticos, que
han originado la fracturación de la roca.
Con respecto a la solución con anclajes, Ing. Goodman estima que no parece
posible detener el deslizamiento a través de la colocación de los mismos.
En relación a la alternativa de detener parte del deslizamiento a través del
uso de anclajes de gran capacidad, se consideró que la misma al basarse en
un modelo que parece lógico, no deja de estar sujeta a las incertidumbres
propias que deberían verificarse toda vez que se emprendiera su desarrollo,
sin dejar de pensar antes en dos consideraciones que son importantes
señalar. Dichas consideraciones se presentan a continuación:
•
La dificultad que representa la instalación de tales anclajes debido a
que en Venezuela no existen empresas que poseen los equipos
necesarios para su instalación, lo que tendría que contratarse a
empresas y/o consorcios trasnacionales para su ejecución. Por otra
parte, y como lo señala el Ing. Goodman, “los niveles de resistencia
que se alcanzarían con estos anclajes no tienen precedente, pero se
pueden alcanzar..."
93
•
Esta alternativa no aseguraría la solución del problema y los altísimos
costos de tal incertidumbre la haría antieconómica aunado al tiempo
requerido para su ejecución. Tal vez sea esta la razón de mayor peso.
Solución propuesta por el Ing. Rosendo Camargo
En marzo de 1.993 el Ing. Camargo detectó con la ayuda de la inspección y
gracias a un modelo matemático espacial creado para evaluar el
comportamiento integral de la estructura, una falla en la unión de las vigas y
tablero sobre las pilastras, que ameritó atención de emergencia por
considerarse de alto riesgo, procediéndose a apuntalar provisionalmente la
losa. Por otra parte, el pronunciado desplome de las bielas de apoyo en el
mismo sitio hizo temer el desplome súbito del tablero. Las razones antes
expuestas fueron el motivo de la presentación del siguiente proyecto.
Proyecto Estructural:
El concepto general del proyecto que corresponde al programa de refuerzo
del Viaducto, cuyo objetivo es prolongar su vida útil, comprende dos Fases
Constructivas:
Fase I: Corresponde a los trabajos sobre las Pilastras Caracas y La Guaira,
el tablero, las péndulas y el Estribo del lado Caracas.
94
Fase II: Corresponde a trabajos orientados a reforzar los arcos del Viaducto.
Figura 29. Fases constructivas del proyecto de refuerzo del viaducto
Fase I: El desarrollo de esta fase comprende varias etapas, las cuales se
indican a continuación:
a) Refuerzo de la losa del tablero ubicada sobre la Pilastra, y construcción de
las bielas metálicas de refuerzo sustitutivas, en la Pilastra del lado Caracas.
b) Construcción de las bielas metálicas de refuerzo sustitutivas en la Pilastra
del lado La Guaira.
c) Incorporación de apoyos móviles (rodillos) al pié de las nuevas bielas en la
Pilastra del lado Caracas.
95
d) Refuerzo en el Interior del Estribo del lado Caracas.
e) Refuerzo en el Exterior del Estribo del lado Caracas. Proyecto elaborado.
Figura 30. Detalle esquemático de la ubicación de los trabajos de la Fase I
del proyecto
f) Apuntalamiento y refuerzo en las Pilas Intermedias ó Estacadas ubicadas
sobre la Ladera del lado Sur ó Caracas, entre el Estribo y la Pilastra.
g) Operación de recuperación de la posición original del eje del tablero del
Viaducto, en el tramo comprendido entre el Estribo y la Pilastra del lado
Caracas.
96
La solución propuesta por el Ing. Rosendo Camargo, ha sido la única que se
ha materializado. Sin embargo, los elementos estructurales sustitutos que se
construyeron aún no trabajan efectivamente, pues no se ha procedido a
desvincular el tablero de los antiguos elementos estructurales debido a la
incertidumbre que aún existe acerca de la respuesta estructural que podría
tener el viaducto ante tan repentino cambio.
Solución propuesta por el Topógrafo Pascual De Leo
El proyecto consiste básicamente en aliviar las presiones que producen la
deformación del Viaducto Nº 1, mediante la realización de perforaciones en
las bases del mismo.
A continuación se presenta el cronograma de los diferentes trabajos para la
ejecución del proyecto denominado" Reparación De Leo".
Propósito
Mantener y hasta disminuir las deformaciones que presenta la estructura del
Viaducto N°1 Caracas -La Guaira. Si se logra disminuir la flecha sobre el
plano vertical, que en la última medición era de 36 cm y los de 10 cm de
97
curvatura que presenta el tablero sobre el plano horizontal, en un valor
tentativo de un 10 o 20 %, se podrá
aceptar como exitoso el trabajo
realizado.
Secuencia de los trabajos
1.
Dos rondas de mediciones con intervalo de dos días, con información
planimétrica y altimetría de los puntos notables sobre la estructura y
base así como puntos en la ladera, para establecer la situación inicial,
denominada valores iniciales antes de la reparación.
Una ronda siete días después de terminadas las perforaciones, luego
una ronda cada mes hasta 4 meses para observar la reacción del
terreno y la evolución del proyecto de reparación. Siete rondas en total
de medición
Al iniciarse los trabajos, paralelamente a las anteriores mediciones
denominadas Movimientos Absolutos, cada dos días se realizarán
controles con la misma precisión y llamados movimientos relativos,
que servirían para monitorear los trabajos y que son:
•
Control del comportamiento de la flecha de 36 cm con nivelaciones de
precisión. Relativas a las dos pilastras.
98
•
Medición del ángulo formado en la pilastra Caracas, que seria el
vértice, visando como origen el estribo La Guaira que esta fijo y el
Estribo Caracas que es el que debería moverse. El ángulo de
deflexión debería disminuir.
•
Con elongámetros de lectura directa de 0,001, 0,01 00,1 mm según la
necesidad, se mediría la evolución de grietas, distancias relativas al
terreno adyacente o cualquier otro lugar donde supone que hay
movimientos.
•
Plomadas mecánicas especiales, serían colocadas el la pilastra
Caracas.
•
En las dos hileras de columnas, se controlaría la evolución de la
verticalidad, con instrumentos específicos (niveles de precisión) Todas
las mediciones relativas serían las que confirmarían y serían el
soporte de los valores arrojados por las mediciones de los
movimientos absolutos.
2. Ejecución de una zanja ancho 60 cm al lado del estribo Caracas
ubicación aguas abajo, hasta la cota de fondo del estribo. Aquí habría
que demoler cualquier obra de concreto ajena al estribo, para lograr
que el costado del estribo, esté completamente aislado el empuje que
ejerce la ladera en el sentido transversal al viaducto.
3. Perforar con máquina para micropilotes, huecos de 15 o 20 cm de
diámetro hasta la cota inferior del estribo, inhabilitando un canal a la
99
vez. Las perforaciones se realizarán con una separación de 30 cm.
Para lograr que un espacio de 20 cm libere por completo al estribo del
empuje longitudinal, que ejerce la ladera. Se restituiría el tráfico en
dicho canal, con láminas de 25,4 mm de espesor x 1220 mm de ancho
ancladas con tornillos fijados con epoxi en la losa del estribo. Igual en
isla y en los otros canales.
4. Demoler en la primera hilera de columnas (columnas cortas) el
concreto proyectado, en el sector aguas abajo que actualmente esta
en contacto con la base de dicha primera hilera de columnas cortas.
Igualmente si se requiere en la segunda hilera de columnas altas.
5. Bajar con grúa telescópica la máquina de micropilotes hasta una
superficie horizontal en las bases de la primera hilera de columnas
cortas. Elaborar una secuencia de perforaciones siempre hasta cota
inferior de las fundaciones. Perforaciones de 20 cm cada 40 cm aprox
de distancia. Según una secuencia y ubicación que determinarán los
ingenieros de suelo. Todos los huecos serán tapados con una losa
prefabricada de 50 x 50 cm colocada 30 cm debajo de la cota del
terreno actual.
6. Reforzar las tres vigas de riostra que unen las columnas cortas con las
100
columnas altas y que presentan fracturas. Para este fin dos vigas H
en paralelo colocadas en la parte inferior y una plancha y vigas con
diagonales en la parte superior y tornillos devolverán la rigidez o
funcionalidad a dichas vigas. Esta rigidez es indispensable para la
continuidad del empuje que ejercerá la pilastra Caracas, una vez
intervenida.
Este mismo procedimiento, se aplicaría también a la segunda hilera de
columnas (columnas altas) después de un trabajo previo de acomodo
o reajuste de los actuales gaviones allí existentes.
Ventajas de esta proposición expuestas por el Topógrafo Pascual De Leo:
•
Bajo Costo
•
Si el daño a la estructura ocurrió durante más de 10 años
pareciera lógico inclinarse hacia una solución lenta, no riesgosa
y fácil de controlar topográficamente durante la ejecución.
•
Entre otras posibles soluciones, esta sería la más natural y
primaria, por estar más cerca al origen del problema que es el
terreno en si. Se estaría atacando exactamente el origen.
101
•
Se estaría aplicando una filosofía oriental; aprovechar la fuerza
ajena, para nuestro beneficio.
En este caso, el arco con su carga transversal, que es la
continuación del arco en el terreno, estaría actuando a favor de
la conservación del viaducto y hasta podría devolverle la
verticalidad a la propia pilastra. No en todos los casos se tiene
una ventaja como ésta donde un elemento, que es el arco con
su orientación y su gran carga transversal, estaría trabajando
para resolver el problema.
•
No ocurriría ningún movimiento drástico ni del terreno ni de la
estructura porque la secuencia de las perforaciones no lo
permitiría. Además, la zona a intervenir por estar únicamente
detrás de las fundaciones, es un sector relativamente pequeño
con respecto a la gran masa en movimiento.
102
SIMULACIÓN DE LA CONDUCTA ESTRUCTURAL DEL VIADUCTO Nº 1
DE LA AUTOPISTA CARACAS-LA GUAIRA UTILIZANDO SAP2000
La conducta estructural del viaducto fue simulada tomando en cuenta
diferentes casos de carga y ciertas modificaciones en las características de
sus partes con el fin de visualizar qué efectos producen dichas variaciones
en su deformada y en la distribución de los momentos en el arco, que es su
principal elemento estructural. También se presentan los diagramas de
fuerza axial, con la finalidad de mostrar cuáles elementos trabajan a tracción
o a compresión.
El Viaducto, con el paso del tiempo, ha experimentado un cambio en su
comportamiento que fue detectado a través de la variación que presentan
las mediciones de la elevación de la clave en relación al acortamiento de la
cuerda del arco debida al desplazamiento horizontal del estribo Caracas.
Inicialmente, el arco del Viaducto estaba biarticulado, pues así fue concebido
en su diseño, sin embargo la presencia de fuerzas anómalas que producen
una excentricidad en la resultante de la fuerza en la clave del arco podría
haber originado una tercera articulación en esa zona. La excentricidad de
dicha fuerza también será calculada tomando como dato los valores de
103
fuerzas axiales y momentos que provienen del análisis en SAP2000 de la
estructura. Se ha creado un modelo que contiene un arco biarticulado y otro
uno triarticulado con la finaldad de establecer una comparación entre ambas
condiciones.
El modelo que se presenta a continuación, pretende mostrar, sin entrar en
cálculos refinados, un patrón de conducta estructural del viaducto en
diversas
condiciones
que
permita
entender
verdaderamente
su
comportamiento mediante la visualización de su deformada bajo los casos de
carga a los que podría estar sometido, según las características de su
estructura concebidas en su diseño y los cambios que esta ha
experimentado.
104
El modelo
Debido a la inexistencia de planos que muestren en detalle las
características de cada elemento estructural del viaducto, las secciones de
los elementos del modelo (sección del arco, de las vigas del tablero, pilas,
pilastras) están basadas en una serie de aproximaciones bastante cercanas
a la realidad.
La sección que más influye en el comportamiento del viaducto es la del arco
por ser éste su principal elemento estructural. Sin embargo, se quiere
verificar la contribución de otros de sus elementos, como el tablero que
realiza un importante aporte a la estabilidad de la estructura ante la carga de
viento.
A continuación se muestran las dimensiones de las secciones de los
elementos que conforman el modelo del Viaducto N° 1:
Sección del arco:
105
Sección de las vigas del tablero:
Sección de las pilastras:
Sección de las pilas:
106
Nota: Las pilastras y las pilas prácticamente no cumplen ninguna función
estructural. Las pilastras sólo cumplen una función arquitectónica pues no se
encuentran vinculadas al tablero. Para efectos de la simulación se colocaron
rodillos conectando a las pilastras con el tablero.
Las características de los materiales que se asignaron al modelo provienen
también de suposiciones próximas a la realidad, pues no se cuenta con
ninguna fuente fidedigna de la que se puedan sustraer los datos que fueron
utilizados por Fressinet en el diseño y cálculo del viaducto.
Las propiedades de los materiales adoptadas para efectos del modelo son
las siguientes:
•
Masa por unidad de volumen = 254 Kg/m3
•
Peso por unidad de volumen = 2500 Kg/m3
•
Módulo de elasticidad = 400000 Kg/cm2
•
Relación de Poisson = 0,2
107
Interpretación de las deformadas obtenidas del análisis en
SAP2000 del modelo del viaducto
108
Comparación de la deformada del viaducto con arco biarticulado y
triarticulado por peso propio
Comparando las figuras 31 (deformada del viaducto con arco biarticulado) y
32 (deformada del viaducto con arco triarticulado) se observa que la
tendencia de elevación de la clave se incrementa al pasar del modelo de
arco biarticulado al triarticulado.
Posteriormente se mostrará el comportamiento de la estructura bajo estas
dos condiciones cuando el arco se encuentre sometido a la acción de
diversas cargas, con el fin de establecer una diferencia en la relación que
existe entre el acortamiento del arco y la elevación de la clave en los casos
de
doble
y
triple
articulación
del
arco.
Deformada del viaducto con arco biarticulado por peso propio
Fig. 31
109
Deformada del viaducto con arco triarticulado por peso propio
Fig. 32
110
111
triarticulado por efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero
hasta llegar a la clave del arco
Se aplicó una carga distribuida de 1500 Kgf/m a lo largo del tablero hasta
llegar a la clave del arco, su valor se aproxima a la magnitud de la carga que
recibiría el viaducto bajo la condición de máxima densidad de tránsito. Dicha
carga fue aplicada tanto al modelo con arco biarticulado (fig. 33) como al que
presenta una tercera articulación en la clave (fig. 34).
Al comparar las deformadas y los valores del descenso de las partes del arco
que experimentan alguna translación, se nota que la biarticulación o
triarticulación del arco, no influye en la magnitud del desplazamiento vertical
que presentan sus riñones y su clave. Sin embargo, si existe una diferencia
en la forma que toman los arcos de las estructuras que son objeto de esta
comparación al ser sometidos a este caso de carga. La diferencia entre las
deformadas se nota en la zona de la clave, pues es consecuencia de la
articulación que en la clave se ha colocado.
Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero
Fig. 33
112
Deformada del viaducto con arco triarticulado por efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero
Fig. 34
113
114
triarticulado por efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero
Se aplicó una carga distribuida de 1500 Kgf/m a lo largo de todo el tablero,
dicha carga fue aplicada tanto al modelo con arco biarticulado (fig. 35) como
al que presenta una tercera articulación en la clave (fig. 36).
Al comparar las deformadas y los valores del descenso de las partes del arco
que experimentan alguna traslación, se nota que la biarticulación o
triarticulación del arco, influye en la magnitud del desplazamiento vertical que
presenta la clave.
En el caso en el que el arco se encuentra biarticulado, el descenso de la
clave es menor que el que experimenta cuando se agrega una tercera
articulación en la clave.
La relación entre el desplazamiento de la clave al aplicar una carga
distribuida en el tablero cuando el arco se encuentra biarticulado y cuando
presenta una tercera articulación es de aproximadamente 2,66, es decir, la
clave del arco triarticulado, bajo éste caso de carga, presenta un descenso
de 2,66 veces mayor que el experimentado por el arco biarticulado.
Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero
Fig. 35
115
Deformada del viaducto con arco triarticulado por efecto de una carga distribuida a lo largo del tablero
Fig. 36
116
117
triarticulado por efectos del desplazamiento de uno de sus estribos
El Viaducto N° 1 de la autopista Caracas-La Guaira, presenta actualmente,
un desplazamiento del estribo Caracas que ha trascendido al causar serios
daños a otras partes de la estructura. Éste desplazamiento, como efecto
principal, produce la elevación de la clave del arco debida al acortamiento
de su cuerda.
En el modelo, se aplica al Estribo Caracas un desplazamiento que acorta la
cuerda del arco 0,441 m y produce una elevación de la clave de 0,473 m en
el caso de arco biarticulado (Fig. 36). En el caso de arco triarticulado (Fig.
37), la clave se eleva 0,595 m al experimentar el mismo acortamiento de la
cuerda (0,441 m).
Al establecer una relación entre la elevación de la clave y el acortamiento
del arco, se nota una diferencia en dicha relación entre los casos en que el
arco está doblemente articulado y en el que se le coloca una tercera
Cuando el arco está biarticulado, la relación entre la elevación de la clave y
el acortamiento del arco es la siguiente:
118
∆F / ∆C = 0,473 / 0,441 = 1,073
Cuando el arco está triarticulado, la relación entre la elevación de la clave y
el acortamiento del arco es la siguiente:
∆F / ∆C = 0,595 / 0,441 = 1,34
En conclusión, la relación ∆F / ∆C se incrementa al colocar una tercera
articulación en la clave del arco. El incremento de éste coeficiente debido a la
triarticulación del arco, confirma la hipótesis que fue planteada en el trabajo
del Topógrafo De Leo que se presenta en el capítulo II, pues se comprueba
que el cambio de comportamiento de la estructura del viaducto a partir del
año 1.994, efectivamente es consecuencia de la aparición de una nueva
articulación en su clave.
Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto del desplazamiento de uno de sus estribos
Fig. 37
119
Deformada del viaducto con arco triarticulado por efecto del desplazamiento de uno de sus estribos
Fig. 38
120
121
Verificación de la contribución del tablero a la estabilidad del viaducto
en presencia de la carga del viento
Se aplicó al tablero a viaducto una carga de viento de 150 Kg/m2:
Tablero
150 kg/m2
Con la finalidad de verificar la contribución del tablero en la estabilidad del
viaducto ante la carga del viento, se aplicó la carga a las vigas del tablero
bajo dos condiciones distintas:
1. Sin incluir para el análisis el diafragma que soporta a la carpeta
asfáltica por la que circulan los vehículos. En este caso el tablero sólo
está conformado por sus vigas (Fig. 38).
2. Incluyendo el diafragma para el análisis (Fig. 39)
Al comparar la deformada del viaducto bajo estas dos condiciones, se
encontró que el diafragma contribuye representativamente en la estabilidad
ante la carga de viento, pues la deformación paralela a su plano que
experimenta la zona central del tablero bajo la condición (1.) es de 7,5 cm;
mientras que bajo la condición (2.) esta deformación es prácticamente nula.
122
Tomando en cuenta que este modelo fue elaborado en base a datos
aproximados de las dimensiones de los elementos que la conforman, se
considera que lo más importante de los datos que provienen de las
deformadas obtenidas de SAP2000 no son las magnitudes de los
desplazamientos, sino la diferencia que éstos presenten al variar las
condiciones para el análisis.
Se observó también que el hecho de que el arco esté doblemente articulado
o que presente una tercera articulación en su clave, no influye en la
deformación del tablero en su plano.
Vigas del tablero sometidas a la carga del viento
Fig. 39
123
Tablero sometido a la carga del viento
Fig. 40
124
125
triarticulado por efectos de carga sísmica
Se aplicaron al modelo dos cargas sísmicas por separado la primera tiene
una magnitud igual al 20% del peso total del viaducto, la segunda es del 60%
del peso. Ambas cargas se aplicaron uniformemente distribuidas hacia arriba
y hacia abajo, ortogonalmente en el tablero de los modelos con arco
biarticulado y triarticulado.
Los valores de elevación de la clave obtenidos en la simulación con
SAP2000, indican que el viaducto no resistiría las solicitaciones por sismo
que se le han aplicado, pues la elevación de la clave es tal que la estructura
colapsaría.
Al comparar la elevación de la clave que experimenta el arco biarticulado con
la que presenta el arco triarticulado, se obtiene que la relación entre los
desplazamientos de estos dos casos es de 2,75, es decir, que la clave del
arco triarticulado se eleva 2,75 veces la magnitud del desplazamiento en el
caso de doble articulación bajo la misma condición de carga sísmica.
A continuación se presentan las gráfias de deformadas del viaducto al estar
sometido
a
las
cargas
sísmicas
anteriormente
descritas.
Deformada del viaducto con arco biarticulado por efecto de la aplicación de una carga sísmica del 20% de
su peso distribuida en el tablero hacia abajo
Fig. 41
126
Deformada del viaducto con arco triarticulado por efecto de la aplicación de una carga sísmica del 20% de
Fig. 42
127
Fig. 43
128
Fig. 44
129
su peso distribuida en el tablero hacia arriba
Fig. 45
130
Fig. 46
131
Fig. 47
132
Fig. 48
133
134
CÁLCULO DE LA EXCENTRICIDAD DE LA FUERZA RESULTANTE EN
LA SECCIÓN DEL ARCO
Determinación del núcleo central de la sección del arco del viaducto
Cálculo de momento de inercia de la sección del arco
b = 2,1m
h = 2,1m
I t = I1 − I 2
bh 3
12
2,1(2,1) 3
I1 =
= 1,620m 4
12
1,9(1,9) 3
I2 =
= 1,086m 4
12
I t = 1,620 − 1,086 = 0,534m 4
I=
Tomando en cuenta las propiedades de la sección, se calcula la
excentricidad máxima que puede tener la fuerza resultante:
c = 1,05m
emax = ?
A = (2,1) − (1,9) = 0,8m 2
0,534
I
= r2 =
= 0,668m 2
0,8
A
2
2
135
emax ⋅ c
=0
r2
emax ⋅ c
= ±1
r2
r2
emax =
c
0,668
emax =
= 0,636m
1,05
1±
La excentricidad de la fuerza resultante que se produce al aplicar diferentes
casos de carga al modelo es SAP2000 se calcula de la siguiente forma:
M
= e ; donde M es el valor de momento máximo observado en el arco y P
P
la fuerza axial correspondiente a ese mismo punto. También se encontró la
excentricidad en la clave del arco con la finalidad de comparar su valor en los
casos en que se encuentra biarticulado y triarticulado para observar el
cambio de comportamiento del viaducto bajo estas dos condiciones.
Los valores de M y P fueron obtenidos a través del análisis de SAP2000.
Mientras la fuerza resultante presente una excentricidad e menor que emax ,
esta se encontrará dentro del núcleo del arco y no se habrán producido
tracciones que afecten el funcionamiento de la estructura. Sin embargo, si la
resultante de la fuerza se saliera de la sección del núcleo central del arco y
se produjeran tracciones indeseables, estas podrían ser solventadas
136
mediante la colocación de algún refuerzo (por ejemplo, fibras de carbono) en
las zonas traccionadas.
A continuación se presentan los máximos valores de momentos que
experimenta el arco del viaducto bajo los diferentes casos de carga y en las
condiciones de doble y triple articulación. En los puntos en que se observó el
máximo valor de momento, se determinó también el valor de la fuerza axial
con la finalidad de determinar posteriormente la excentricidad de la fuerza
resultante. A pesar de que, en la mayoría de los casos, los momentos en la
clave no son de magnitudes importantes, se aplicó el mismo procedimiento
que en los puntos de máximo momentos puesto que la clave del arco es el
punto neurálgico de la estructura.
Tabla 10. Arco biarticulado. Peso propio
Punto de máximo
momento
Clave
Momento máximo (ton-m)
423,55
0,00
Fuerza axial (ton)
602,10
422,53
Excentricidad (m)
0,70
0,00
Tabla 11.Arco triarticulado. Peso propio
Punto de máximo
momento
Clave
438,93
0,00
Fuerza axial (ton)
600,57
412,72
Excentricidad (m)
0,73
0,00
137
Tabla 12. Arco biarticulado. Carga distribuida en el tablero hasta la
clave
Punto de máximo
momento
Clave
741,52
0,00
Fuerza axial (ton)
988,48
570,72
Excentricidad (m)
0,75
0,00
Tabla 13. Arco Triarticulado. Carga distribuida en el tablero hasta la
clave
Punto de máximo
momento
Clave
705,74
381,96
Fuerza axial (ton)
984,67
573,61
Excentricidad (m)
0,72
0,67
Tabla 14. Arco biarticulado. Carga distribuida en todo el tablero
Punto de máximo
momento
Clave
496,40
58,25
Fuerza axial (ton)
799,78
550,24
Excentricidad (m)
0,62
0,11
Tabla 15. Arco triarticulado. Carga distribuida en todo el tablero
Punto de máximo
momento
Clave
478,34
33,28
Fuerza axial (ton)
801,74
562,02
Excentricidad (m)
0,60
0,06
138
Tabla 16. Arco biarticulado. Desplazamiento
Punto de máximo
momento
Clave
1965,00
1708,00
Fuerza axial (ton)
1180,77
1177,29
Excentricidad (m)
1,66
1,45
Tabla 17. Arco triarticulado. Desplazamiento
Punto de máximo
momento
Clave
2360,17
99,31
Fuerza axial (ton)
1249,48
1536,18
Excentricidad (m)
1,89
0,06
En las tablas anteriores, se observa que la excentricidad de la fuerza
resultante en la sección del arco excede, bajo la mayoría de los casos de
carga, a la excentricidad máxima que puede tener esta fuerza para
mantenerse dentro del núcleo de la sección. Si estos valores de
excentricidad
fuesen ciertos, la estructura ya hubiese colapsado lo cual
indica que los resultados están afectados por la incertidumbre que existe
acerca de las dimensiones de las secciones supuestas para la elaboración
del modelo. La sección que se asignó al arco del modelo es constante y el
arco del Viaducto Nº 1 es de sección variable, lo cual distorsiona los
resultados, pues no se está obteniendo el valor real de la excentricidad de la
fuerza resultante en los puntos de máximos valores de momentos, cuando
139
estos pertenecen a la zona de los riñones del arco. Sin embargo, a través
del cálculo de e
en la clave se puede apreciar la diferencia del
comportamiento del arco en la condición de biarticulado y triarticulado.
140
Interpretación de los diagramas de fuerza axial
obtenidos del análisis en SAP2000 del modelo del
viaducto
141
Interpretación de los diagramas de fuerza axial obtenidos del análisis
realizado en SAP2000 para el modelo del viaducto con el arco
biarticulado y triarticulado.
A continuación se muestran los diagramas de fuerza axial obtenidos de las
simulaciones realizadas al viaducto Caracas-La Guaira, para diferentes
casos de carga.
1.Por peso propio
En los diagrama de fuerza axial para el arco biarticulado ( fig. 49) y para el
arco triarticulado (fig. 50), se puede observar que el arco y las pilas trabajan
a
compresión, la única diferencia entre ambos diagramas, es que para el
arco triarticulado la compresión en el tramo del tablero cercano a la clave es
superior con respecto a la compresión mostrada en el diagrama para el arco
biarticulado.
2. Con una carga uniformemente distribuida hasta la mitad del tablero
Para ambos casos, arco biarticulado y arco triarticulado, representados en
las figuras 51 y 52, existe compresión a lo largo de todo el arco y las pilas.
Se puede notar que en la sección del tablero donde se le aplicó la carga se
142
encuentra a tracción, mientras que la otra sección
del tablero trabaja a
compresión.
3. Con una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero
En la figura 53, diagrama para el arco biarticulado y en la figura 54, diagrama
para el arco triarticulado, se puede observar que para ambos casos tanto el
arco, una parte del tablero y las pilas trabajan a compresión.
4. Con un desplazamiento
En la figura 55,
se encuentra el diagrama de fuerza axial para el arco
biarticulado. Cuando ocurre un desplazamiento de 0,441 cms, en el lado
Caracas, lado derecho del gráfico, se observa que la mitad derecha del arco
y la mitad izquierda del tablero trabajan a compresión, mientras que la mitad
derecha del tablero, a partir de la clave, trabaja a tracción.
En el diagrama de fuerza axial para el arco triariculado, (fig. 56), todo el
tablero está a compresión, después de la pilastra Caracas, lado derecho, de
la figura, se encuentra a tracción y el arco se encuentra en compresión.
Diagrama de fuerza axial por peso propio para el arco biarticulado
Fig. 49
143
Diagrama de fuerza axial por peso propio para el arco triarticulado
Fig. 50
144
Diagrama de fuerza axial por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero hasta
llegar a la clave del arco biarticulado
Fig. 51
145
Diagrama de fuerza axial por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero hasta
llegar a la clave del arco triarticulado
Fig. 52
146
Diagrama de fuerza axial por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del del arco
biarticulado
Fig. 53
147
Diagrama de fuerza axial por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del arco triarticulado
Fig. 54
148
Diagrama de fuerza axial por efecto de un desplazamiento de uno de los estribos del viaducto con arco
biarticulado
Fig. 55
149
Diagrama de fuerza axial por efecto de un desplazamiento de uno de los estribos del viaducto con arco
triarticulado
Fig. 56
150
151
Diagramas de momentos del viaducto para diferentes
casos de carga obtenidos de SAP2000
152
Comparación de los diagramas de momentos para el viaducto con el
arco biarticulado y triarticulado.
A continuación se muestran los diagramas de momentos obtenidos de las
simulaciones realizadas al viaducto Caracas-La Guaira, para diferentes
casos de carga.
1.Por peso propio
En las figuras 57, correspondiente al diagrama de momentos por peso propio
para el arco biarticulado y la figura 58, correspondiente al arco triarticulado
se puede apreciar que existen momentos tanto en las pilas, la clave y los
riñones del arco. Para ambas figuras el momento mayor se encuentra en los
riñones.
2. Con una carga uniformemente distribuida hasta la mitad del tablero
En el diagrama de momentos para el arco biarticulado, figura 59 se puede
observar que el momento es mayor en el lado del viaducto donde se le aplica
la carga, siendo el mayor momento en los riñones. La carga uniformemente
distribuida que se le aplicó a la mitad del tablero fue de 150 Kgf/m2. La
diferencia entre ambas figuras es el momento en la clave, es notorio que el
153
para el arco biarticulado, existe un momento en la clave que es un poco
mayor al momento que aparece a los lados de esta, mientras que el
diagrama de momento para el arco triarticulado, figura 60 muestra lo
contrario, es decir, el momento en la clave es menor a los momentos que se
presentan a sus lados, para este caso el momento mayor se encuentra en
los riñones.
3. Con una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero
En las figuras 61 y 62, arco biarticulado y arco triarticulado respectivamente,
se puede observar la existencia de momentos tanto en la clave, los riñones y
las pilas. En los diagramas de momentos para el arco biarticulado y arco
triarticulado el momento es mayor en los riñones.
4. Con un desplazamiento
Para este caso se coloco el desplazamiento de 0.44 metros en el lado
Caracas del viaducto, como existe en la realidad. Nótese que cuando el arco
es biarticulado, figura 63, existen momentos en la clave y las pilas. Mientras
que en el diagrama de momentos para el arco triarticulado, figura 64, existe
momento a los lados de la clave y se presenta un aumento en el momento de
154
las pilas del lado Caracas, con respecto al diagrama de momento del arco
biarticulado.
Para el arco biarticulado el momento mayor se encuentra
en la clave,
mientras que para el arco triarticulado el momento mayor se encuentra a los
lados de la clave.
5. Con la carga del viento
Para esta simulación se le colocó una carga de viento de 150 Kgf en los
nodos exteriores de un solo lado. En ambas figuras, 65 y 66, arco
biarticulado y arco triarticulado respectivamente, el comportamiento es el
mismo existen momentos en los arcos, en los riñones y en la clave.
6. Separación en la clave
En la figura 67 se encuentra el diagrama de momentos para el arco
biarticulado y en la figura 68 el diagrama de momentos para el arco
triarticulado, en ambas figuras se puede observar que existen momentos
mayores en los riñones del arco, en las pilas y en el tablero cercano a la
clave.
155
7. Carga Sísmica
•
0,25 * Peso Propio, aplicada hacia abajo.
Para el diagrama de momentos del arco biarticulado, figura 69, el
momento mayor se encuentra en la clave, también existen momentos
cerca de los estribos.
El diagrama de momentos para el arco
triarticulado, figura 70, el momento mayor se encuentra en los riñones,
existe un momento pequeño en la clave y un gran momento en el
tablero.
•
0,25 * Peso Propio, aplicada hacia arriba.
Para la figura 71, diagrama de momentos para el arco biarticulado, el
momento es mayor en la clave y cercano a los estribos mientras que
para el arco triarticulado, figura 72, el momento es mayor a los lados
de la clave y cercano a los estribos.
•
0,6 * Peso Propio, aplicada hacia abajo
En al figura 73 se encuentra el diagrama de momentos para el arco
biarticulado, para este caso el momento mayor se encuentra en la
156
clave, también existen momentos cerca de los estribos y en el tablero.
En la figura 74, está el diagrama de momentos para el arco
triarticulado aquí hay momento a los lados de la clave y cerca de los
estribos, siendo el momento mayor cercano a la clave.
•
0,6 * Peso Propio, aplicada hacia arriba.
El diagrama de momentos para el arco biarticulado, figura 75, muestra
un mayor momento en la clave y otro cerca de los estribos, mientras
que para el arco triarticulado, figura 76, el momento mayor se
encuentra a los lados de la clave y en los riñones.
157
Diagrama de momentos por peso propio para el arco biarticulado
Fig. 57
158
Diagrama de momentos por peso propio para el arco triarticulado
Fig. 58
159
Diagrama de momentos por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero hasta llegar
a la clave del arco biarticulado
Fig. 59
160
Diagrama de momentos por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero hasta llegar
a la clave del arco triarticulado
Fig. 60
161
Diagrama de momentos por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero del
viaducto con arco biarticulado
Fig. 61
162
Diagrama de momentos por efecto de una carga uniformemente distribuida a lo largo del tablero del
viaducto con arco triarticulado
Fig. 62
163
Diagrama de momentos por efecto del desplazamiento de uno de los estribos del viaducto con arco
biarticulado
Fig. 63
164
Diagrama de momentos por efecto del desplazamiento de uno de los estribos del viaducto con arco
triarticulado
Fig. 64
165
Diagrama de momentos por efecto de la aplicación de carga de viento al viaducto con arco biarticulado
Fig. 65
166
Diagrama de momentos por efecto de la aplicación de carga de viento al viaducto con arco triarticulado
Fig. 66
167
Diagrama de momentos del viaducto al aplicar una fuerza que produce una separación de la clave del arco
biarticulado
Fig. 67
168
Diagrama de momentos del viaducto al aplicar una fuerza que produce una separación de la clave del arco
triarticulado
Fig. 68
169
Diagrama de momentos del arco biarticulado por efecto de la aplicación de una carga sísmica del 20% de su
peso distribuida en el tablero hacia abajo
Fig. 69
170
Diagrama de momentos del arco triarticulado por efecto de la aplicación de una carga sísmica del 20% de su
Fig. 70
171
Fig. 71
172
Fig. 72
173
peso distribuida en el tablero hacia arriba
Fig. 73
174
Fig. 74
175
Fig. 75
176
Fig. 76
177
Conclusiones
La elaboración de la simulación en SAP2000 de la conducta estructural del
Viaducto Nº 1 permite visualizar su comportamiento bajo diferentes casos de
carga de manera global, sin necesidad de realizar cálculos refinados.
Para la simulación se crearon dos modelos distintos; uno contiene un arco
doblemente articulado y el otro presenta una tercera articulación en su clave,
tal como se presume que se encuentra actualmente. El objetivo de crear
estos dos modelos fue comparar el comportamiento de la estructura cuando
esta presenta doble y triple articulación.
Al comparar las deformadas se observó que al aparecer una tercera
articulación en la clave del arco, las magnitudes de los desplazamientos de
los puntos críticos de la estructura se incrementan notablemente. El cambio
de comportamiento que presentó el modelo es similar al que se observó en el
análisis de las mediciones topográficas realizadas en el Viaducto Nº 1 de la
autopista Caracas-La Guaira por el Topógrafo Pascual De Leo, lo cual
verifica que la variación repentina de la relación ∆elevación de la clave/
∆acortamiento de la cuerda, efectivamente se debe a la triarticulación del
arco.
178
Los diagramas de fuerzas axiales obtenidos del análisis en SAP2000, indican
las zonas del arco que se encuentran traccionadas o comprimidas. En las
zonas que presentan valores de tracción que el arco no es capaz de
soportar, se podría colocar algún tipo de refuerzo, como las fibras de
carbono.
Después de obtener los diagramas de momentos del análisis de SAP2000,
se tomaron los valores máximos para cada caso de carga. También se
tomaron los valores de momentos en la clave, en el caso de que los hubiese,
con la finalidad de hallar la excentricidad que presenta la fuerza resultante
que actúa en la sección del arco, a través de la relación Momento/Fuerza
axial. Una vez obtenido este valor se comparó con la excentricidad máxima
que puede tener la fuerza resultante para no salirse del núcleo de la sección
y provocar el colapso de la estructura. Algunos valores obtenidos de la
excentricidad resultaron superiores a la excentricidad máxima, esta distorsión
de los resultados, se debe a que, en la realidad, el arco del viaducto es de
sección variable y para efectos de la simulación fue considerado de sección
constante.
Con respecto a la excentricidad de la fuerza resultante en la sección del arco
en la clave, se encontró que al presentarse la tercera articulación, el valor de
la excentricidad disminuye notablemente con respecto a este mismo valor en
179
el caso de arco doblemente articulado. Este resultado, siembra la duda
acerca de la existencia de alguna previsión de diseño por parte Freyssinet,
ante la aparición de fuerzas anómalas, como las que efectivamente existen
en la actualidad, que pudieran desviar la resultante de la fuerza en la sección
de la clave.
Se considera que este trabajo contiene datos que pueden ser utilizados
como punto de partida para la generación de nuevas propuestas en pro del
rescate del Viaducto Nº1 de la autopista Caracas-La Guaira, pues la
simulación en SAP2000 constituye un método de fácil interpretación que
permite visualizar la respuesta de su estructura ante los diferentes casos de
carga a los cuales posiblemente se encuentre sometida actualmente.
180
ANEXOS
181
Diagramas de interacción del arco del viaducto con doble y triple
articulación bajo diferentes casos de carga
Con la finalidad de determinar las implicaciones de la excentricidad de la
fuerza resultante en la sección del arco en la clave, se realizará un diagrama
de interacción que permite observar gráficamente cuándo el arco está
trabajando dentro del rango de tensiones admisibles.
El diagrama de interacción P, M , se construyó de la siguiente manera:
Los valores de la fuerza P tomados para la construcción de gráfica
provienen de
P = f ' c ⋅ A . Los valores de momentos
M = f ' c ⋅ S , donde S =
M se calculan
I
.
C
Los datos necesarios para la construcción del diagrama de interacción del
arco del viaducto, específicamente, fueron obtenidos tomando en cuenta las
propiedades de los materiales y la sección que le fue asignada al arco del
modelo. Los cálculos para la obtención de los puntos más importantes del
diagrama se presentan a continuación.
ton
⋅ 0,8m 2 = 3200ton
2
m
I 0,534m 4
S= =
= 0,508m 3
c
1,05m
ton
M = 4000 2 ⋅ 0,508m 3 = 2032ton − m
m
P = 4000
182
Diagrama de interacción
3500
3000
2500
P
2000
1500
1000
500
0
-3000
-2000
-1000
0
M
1000
2000
3000
FS = 1
FS = 2
FS = 3
Proviniendo la excentricidad de la relación P / M , se tiene que al graficar los
puntos correspondientes a los momentos máximos en la clave del arco y a la
fuerza en ese mismo punto, se puede observar con facilidad si el valor de la
excentricidad de la fuerza resultante, para cada caso de carga, hace que el
arco trabaje fuera o dentro del rango de tensiones admisibles. Mientras el
valor de la excentricidad ( P / M ) se encuentre dentro de la región que se
formó en la construcción del diagrama de interacción, el arco está dentro del
rango de tensiones admisibles. El factor de seguridad con el cual trabaja el
183
arco depende de la región que contiene al punto que representa, en la
gráfica, el valor de la excentricidad.
A continuación se presentan los diagramas de interacción para el viaducto
bajo diferentes casos de carga con arco biarticulado y con una tercera
184
185
BIBLIOGRAFÍA
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geológicos, geotécnicos y estructurales relativo a la problemática del
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189
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Análisis de los estudios realizados sobre la patología estructural del

Transcripción

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