Estado de conservacion y perdida de SV de los puentes de la
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Estado de conservacion y perdida de SV de los puentes de la
Título: ESTADO DE CONSERVACIÓN Y PÉRDIDA DE SEGURIDAD VIAL DE LOS PUENTES DE LA REGIÓN DE LOS RÍOS, CHILE Autores: Emerson Marguirott, Frank Schanack, Hugo Riffo, Thomas Klingenberg, Tamara González, Nicolás Molina Emerson Marguirott, Dirección de Vialidad Región de Los Ríos Yungay 621, Valdivia, Chile E-mail: [email protected] Tel + 56 2 63 2 33 25 53 Frank Schanack, Hugo Riffo, Thomas Klingenberg, Tamara González, Nicolás Molina, Universidad Austral de Chile Instituto de Obras Civiles General Lagos 2086, Valdivia, Chile E-mail: [email protected] Tel + 56 63 2 22 28 62 Fecha de envío: Número de palabras: 27 de Agosto de 2014 8.033 palabras Número de figuras y tablas: 19 (4750 palabras) TOTAL 12.783 palabras Página 1 de 29 RESUMEN A base de una inspección visual, sin medios de acceso especiales, de los 600 puentes que forman la red vial pública de la Región de Los Ríos, se determinaron sus evidentes daños y deficiencias. Los resultados permiten evaluar el estado de conservación y pérdida de seguridad vial particular de cada puente y en general de los puentes de la Región. Entre los daños más frecuentes se destacan: “No existe / no funciona barrera de contención”, “Separación entre tablones de resistencia”, “Longitud de mesa de apoyo menor que 0,7m + 0,005L”, “Contención del relleno del estribo ineficiente” y “Junta permeable en calzada”. En general, el estado de conservación es bajo y existe una gran cantidad de puentes que requieren a una acción de mitigación inmediata. Esto no es posible dada la cantidad limitada de recursos, por lo que es preciso flexibilizar los criterios de evaluación. Sin embargo, se recomienda el uso de señalética, como restricciones de carga, de velocidad, entre otros. Un problema especialmente severo presentan los así llamados puentes provisorios, los puentes de madera. En la Región de Los Ríos existen 185 puentes provisorios y casi todos presentan alguna deficiencia o daño grave. Considerando además que los puentes provisorios deben ser sustituidos cada 4 a 8 años debido a la descomposición de la madera, esta tipología resulta ser el eslabón más débil dentro de la gestión de la conservación de los puentes. Dentro de una red vial existen numerosos puentes que normalmente presentan algún grado de daño y/o deficiencia. Dentro de la tarea de conservación de puentes, se deben realizar trabajos de mantención para eliminar los daños, corregir las deficiencias o mitigar los efectos que ambos puedan causar. Normalmente, el costo de la ejecución de todos los trabajos de mantención necesarios supera el presupuesto anual para la conservación de puentes del cual dispone una administración pública. Para el mejor aprovechamiento de los recursos se propone un algoritmo de priorización que tiene en cuenta tanto el grado de daño de cada puente en particular, como también su importancia dentro de la red vial. El grado de daño se determina mediante una inspección del puente y está relacionado con el tiempo máximo recomendado hasta que tenga que ocurrir la corrección del daño. La importancia es determinada a base de 5 criterios: ancho del puente, TMDA, existencia de rutas alternativas, número de habitantes afectados y restricción de peso máximo. El algoritmo y la ponderación de cada criterio han sido calibrados mediante la aplicación a los 600 puentes de la red vial de la Región de Los Ríos. Para ello se programó el Sistema de Gestión de Puentes, una aplicación web para la gestión de datos. Mediante el algoritmo desarrollado se puede tomar decisiones de priorización de mantención basado en criterios objetivos. Página 2 de 29 INTRODUCCCIÓN Los puentes están entre las obras más longevas que realiza el hombre y normalmente perduran varias generaciones. La larga vida útil es la que justifica la enorme inversión inicial que requiere la construcción de un nuevo puente. Si no fuese así, si un puente tuviera que ser repuesto frecuentemente, un balseo sería una alternativa económicamente más rentable. La conservación de puentes juega un papel importante, ya que permite aumentar la frecuencia de reposición de un puente con gastos mucho menores que la inversión inicial. Sin embargo, las entidades encargadas de la construcción y del mantenimiento de puentes, normalmente no consideran un presupuesto permanente de mantenimiento para cada puente en particular. Suele existir un presupuesto global, inferior a la suma de todas las acciones de conservación teóricamente requeridas. Consecuentemente se requiere de una metodología de priorización que permita elegir las acciones de conservación a ejecutar, que en la suma llevan a la mayor rentabilidad posible de los puentes en una red vial. Entre los años 2009 y 2014 la Dirección de Vialidad de las Regiones Los Lagos y Los Ríos en conjunto con la Universidad Austral de Chile han trabajado en el desarrollo de esta metodología de priorización. Este trabajo se llevó a la práctica cuando la Dirección Regional de Vialidad, Región de Los Ríos licitó un levantamiento de necesidades de conservación de todos los puentes bajo su tuición. Este levantamiento se adjudicó la empresa APIA XXI IAC S.A, quien subcontrató a la Universidad Austral de Chile. En esta publicación se exponen los principales resultados de este proceso, así como la metodología y los resultados de este estudio. METODOLOGÍA DE INSPECCIÓN DE PUENTES La metodología empleada para determinar el estado de conservación y pérdida de seguridad vial de los puentes se divide en cuatro etapas: análisis de antecedentes, inspección visual de todos los puentes, evaluación de los daños registrados y procesamiento de la información levantada. Página 3 de 29 Inspección visual La inspección visual de puentes es una metodología que permite la determinación del estado de conservación y pérdida de seguridad vial de los puentes. Su objetivo es la detección de evidentes defectos/daños con el uso de todas las facilidades de acceso existentes, pero sin utilizar medios auxiliares especiales, como botes, grúas, sistemas de inmersión, entre otros. Además permite el análisis estadístico del estado de conservación y pérdida de seguridad vial del patrimonio vial existente, así como la determinación de soluciones constructivas que presentan ventajas o inconvenientes. Con respecto a la detección de defectos y/o daños, se entenderá por defectos a aquellas faltas ocurridas durante la etapa de construcción del puente, que provocan la ausencia o estado defectuoso de elementos estructurales o no estructurales. Por otro lado, se entiende por daño a aquel deterioro que posea uno o más elementos ya sean estructurales o no, debidos a accidentes o fatigas, entre otros, y que facilitan la inhabilitación del elemento en un tiempo finito. Durante la inspección visual es necesario colocar especial atención y documentar los siguientes puntos. Cambios extraordinarios en el puente. Defectos/daños graves o ausencia de señalización y sistemas de protección. Defectos/daños graves y suciedad en drenaje y juntas de dilatación. Defectos/daños graves en pavimentos. Daños graves por accidentes, desprendimientos de hormigón, grietas evidentes. Evidentes deformaciones y desplazamientos del puente. Defectos/daños en las rampas. Socavación en la infraestructura. Los elementos que se inspeccionan son los de resistencia, fundación, apoyos, rótulas, junta de dilatación, barandas y barreras, calzada, impermeabilizaciones, drenajes, señalización, vigas, tablero, estribos, cepa, cursos de agua, entre otros. Evaluación de Daños La evaluación de daños debe ser realizada de forma objetiva, evitando apreciaciones personales que puedan generar problemas en la categorización de los daños, lo que afecta principalmente en la priorización del puente en términos calificativos y de urgencia. Con este fin, y basándose en la experiencia alemana (DIN 1076, 1983), se creó un catálogo de daños que posee un listado de fallas que se pueden encontrar en un puente. Junto con la Página 4 de 29 falla, se definen tres calificaciones que sirven para el cálculo de la nota global del puente. Estas calificaciones se basan en tres aspectos descritos como: Resistencia (R): Se refiere al cumplimiento con las exigencias de resistencia del puente o de sus elementos. Se requiere que estos resistan sin daños las solicitaciones de uso máximas proyectadas o señalizadas. Seguridad vial (V): La seguridad vial se refiere a la capacidad que posee la estructura de cumplir los estándares de seguridad y confort para los usuarios, definidos en las normativas y leyes vigentes. Durabilidad (D): La durabilidad caracteriza la resistencia de la estructura o de sus elementos contra los agentes externos, proporcionando un tiempo de servicio más largo, manteniendo al mismo tiempo la resistencia y la seguridad vial en el uso rutinario y regular así como los procedimientos de mantenimiento. Así, cada puente es analizado bajo estos enfoques, logrando capturar la esencia de los daños y su influencia en los aspectos ya nombrados. La TABLA 1 indica el formato del catálogo de daños, específicamente en el nivel de superestructura. TABLA 1 Formato del catálogo de daños. Superestructura / Losa / * / * 110000 110001 Manchas de óxido de hierro en la dirección de la armadura 111000 111001 111002 111003 Superestructura / Losa / Hormigón / * Nido de piedra / zonas huecas / inclusión de materiales extraños (sólo pequeñas zonas, sin armadura expuesta) Desprendimiento de hormigón, superficial, sin armadura expuesta Desprendimiento de hormigón, superficial, con armadura expuesta R V D A E 7 7 6 R V D A E 7 7 6 7 7 6 7 7 5 Página 5 de 29 FIGURA 1 Daños observados en un puente y considerados en el catálogo de daños. Degradación de aparato de apoyo (izquierda) y corrosión con pérdida de sección en ala inferior de viga (derecha). A nivel conceptual, y diferente a lo habitual, la evaluación del grado de daño define el plazo máximo recomendable para la atención especial del daño y/o defecto. En cuanto menor es el plazo recomendable, mayor es el grado de daño. La evaluación oscila entre la nota 3, para puentes con daños graves, y nota 7, para puentes sin daños. La nota de daño global, se obtiene de la menor nota de cualquier categoría de cualquier daño registrado en el puente. El plazo máximo recomendable para una atención especial dependiendo de la nota se indica en la TABLA 2. TABLA 2 Grado de daño global 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 Definición del grado de daño Plazo máximo recomendable de atención especial Sin necesidad Largo plazo (dentro del año) Mediano plazo (unas semanas) Corto plazo (unos días) Inmediato Procesamiento de la información levantada La información obtenida es llevada a un sistema informático elaborado por la Universidad Austral de Chile, que tiene como objetivo la gestión de la información de una manera sencilla y rápida. El Sistema de Gestión de Puentes (o también llamado Bridge Managment System - BMS) permite, mediante el ingreso de los daños según el catálogo de daños, la evaluación de cada puente en conjunto con la elaboración de fichas de inspección, las cuales resumen el estado de conservación y pérdida de seguridad vial del puente mediante un registro de daños basado en fotografías tomadas en terreno. En la FIGURA 2 se observa la pantalla de inicio del Sistema de Gestión de Puentes. Página 6 de 29 FIGURA 2 Pantalla de inicio Sistema de Gestión de Puentes. El programa además permite la extracción de datos estadísticos y la asignación de acciones de mitigación para los daños registrados. Dichas acciones están basadas principalmente en los Volúmenes 5 (MOP, 2012b) y 7 (MOP, 2012c) del Manual de Carreteras, los cuales estipulan partidas de mitigación que permiten una correcta ejecución de las obras en terreno. PATRIMONIO DE PUENTES EN LA REGIÓN DE LOS RÍOS Catastro de puentes Basado en el análisis de antecedentes entregados para para este trabajo, existían 726 posibles puentes. De ellos, 128 habían sido convertidos en alcantarillas, 9 no pudieron ser inspeccionados ya que se encontraban inaccesibles en el minuto de la inspección y 597 puentes existen, considerando dentro de ellos, 13 puentes en construcción y dos puentes cerrados, los cuales poseían en general vías alternativas para el paso. Además, 13 de los 597 puentes fueron encontrados en terreno y no poseían registro alguno en los catastros anteriormente nombrados. El número de puentes ha ido disminuyendo con el paso de los años, esto puede deberse al reemplazo de puentes por alcantarilla, la eliminación de Página 7 de 29 caminos públicos entre otros. La FIGURA 3 indica la distribución de los resultados en el registro de la inspección visual. FIGURA 3 Distribución de registro de puentes durante la Inspección visual de puentes en terreno. Caracterización de los puentes La materialidad de los puentes encontrada en la Región de Los Ríos es variada. En mayor porcentaje corresponden a puentes híbridos, también conocidos como puentes semidefinitivos en el caso de contar con infraestructura de hormigón armado. Estos puentes cuentan con un tablero de madera y vigas principales de acero y corresponden al 31 % del total de puentes. En segundo lugar se encuentran los puentes de madera, estos puentes que poseen tablero y vigas principales de madera son llamados puentes provisorios y corresponden también a un 31 %. Finalmente están los puentes definitivos, estos se dividen en dos categorías, aquellos de hormigón armado, hormigón pre-tensado u hormigón post-tensado, y aquellos mixtos con tablero de hormigón y vigas de acero, juntos suman un 38 %. También se pudo observar un puente de acero, tipo mecano en la región. La FIGURA 4 presenta la distribución de acuerdo a la materialidad de la superestructura de los puentes en la región de los cuales se posee registro. No se encuentran pasarelas bajo tuición del Ministerio de Obras Públicas. Página 8 de 29 Materialidad de la superestructura 98 17% Acero-Hormigón 187 31% Hormigón 127 21% Madera Acero-Madera 185 31% FIGURA 4 Distribución de puentes de acuerdo al tipo de material de la superestructura. Con respecto a las longitudes y según lo definido por el Manual de Carreteras Vol. 3 apartado 3.1001.301 (MOP 2012a), se observan 124 puentes denominados como alcantarillas y puentes losas, que corresponden a puentes con longitudes menores a 10 m, 370 puentes menores, de 10 m a 40 m, 68 puentes medianos, entre 40 m y 200 m y cinco puentes mayores (FIGURA 5). En la mayoría de los casos, los puentes menores a 10 m, corresponden a puentes de madera y en un menor porcentaje a puentes híbridos. Los puentes mayores son el Puente Cruces, puente mixto hormigón-acero, de 485 m, el Puente Pedro de Valdivia, puente mixto de 240 m, los Puentes Calle Calle y Calle Calle II, uno de hormigón y el otro mixto, ambos de 223 m y el Puente Chaihuín, puente de hormigón de 207 m. Distribución por longitud total 68 12% 5 1% 124 22% L < 10 m 10 m ≤ L < 40 m 40 m ≤ L < 200 m L ≥ 200 m 370 65% FIGURA 5 Distribución de puentes de acuerdo a su longitud total (izquierda). Histograma de longitudes de puente encontradas en la Región de Los Ríos (derecha). Página 9 de 29 Los puentes que poseían información catastral, suman un total de 14.131 m, con una media de 24,9 m. El histograma de la FIGURA 5 muestra que el 90 % de los puentes está dentro de los 45 m de longitud. El 50% de los puentes se concentra dentro de los 5 m a 20 m. Dentro de los puentes inspeccionados, el ancho del tablero varía entre 3 m y 13 m. El 43% correspondiente a 229 puentes, tienen un ancho menor a 4,5 m. El 76 % de los puentes, tienen un ancho menor al mínimo especificado por el Manual de Carreteras para puentes de dos pistas (8,0 m), esta distribución se puede observar en la FIGURA 6. Distribución por ancho total 94 17% A < 4,5 m 36 7% 229 43% 4,5 m ≤ A < 8 m 8 m ≤ A < 10 m A ≥ 10 m 179 33% FIGURA 6 Distribución de puentes de la Región de Los Ríos según el ancho útil. Ejemplos TABLA 3 Ejemplos de tipologías de puentes encontradas en la Región de Los Ríos. Puente Carlos Ibañez del Campo: Ubicado en Río Bueno, tiene una longitud de 115 m, con luces de cálculo de 36,6 m. Data del año 1926 y es inaugurado por el presidente Carlos Ibañez del Campo. Corresponde a un puente arco con tablero superior que se apoya sobre tres arcos, los arcos laterales se apoyan sobre el terreno, mientras que el central lo hace sobre cepas. Los arcos están compuestos por cuatro nervios longitudinales que se arriostran entre sí en el sentido transversal. Debido al ancho restrictivo de la calzada, 6,5 m, ofrece solo una vía vehicular efectiva. Página 10 de 29 Puente Pedro de Valdivia: Ubicado en la ciudad de Valdivia, tiene una longitud de 238,7 m, con una luz de cálculo máxima de 70 m. Se termina el año 1953 y es inaugurado en forma oficial el año 1955. Es un puente de hormigón armado, los 167 m centrales que salvan el río, corresponden a tramos de vigas Gerber de sección cajón. El canto varía a lo largo del puente, creciendo desde el centro de la luz hacia los apoyos. El cajón de hormigón armado está compuesto por dos células hacia el centro y cuatro en la zona de las cepas. Los 70 m que quedan fuera del río constituyen los accesos en pasos superiores sobre las costaneras de ambas orillas de tipología mixta. Puentes Calle Calle y Calle Calle II: Ubicados ambos en la ciudad de Valdivia, tienen una longitud de 223 m y una luz de cálculo máxima de 64,8 m. El primer puente es inaugurado el año 1945 y corresponde a un puente de hormigón con similares características que el Puente Pedro de Valdivia, ya que son diseñados por el mismo ingeniero Federico Wiese Isense. El puente Calle Calle II es más actual, es inaugurado el año 1997 y corresponde a un puente mixto, tiene un tablero de hormigón armado apoyado sobre dos vigas de acero con canto variable que a la vez se apoyan sobre pilas. Estos puentes tienen cinco tramos y 4 cepas, dos de ellas sobre el lecho. Página 11 de 29 Puente Santo Domingo: Ubicado en la Ruta 206, entre Paillaco y Valdivia, corresponde al único puente tipo arco atirantado con tablero inferior de la región. Tiene una longitud de 37,5 m y un ancho de calzada de 6 m. Es un puente monolítico de hormigón armado. Posee dos arcos verticales de 35 m de luz y 8,8 m de flecha arriostrados entre sí por cuatro vigas con disposición Vierendeel. El canto de los arcos aumenta hacia los extremos en donde se empotran en el tablero. La conexión entre arco y tablero se realiza a través de ocho péndolas verticales. El tablero es un emparrillado de vigas T, de las cuales tres son longitudinales y ocho transversales. Data del año 1942. Puente Chirre: Ubicado en la ruta T-981-U, en la comuna de Río Bueno. Inicialmente era parte de la vía de ferrocarriles del estado, a esto debe su ancho restrictivo de 4,4 m. Tiene una longitud de 114 m, con 66,7 m de luz de cálculo. El vano del arco tiene un tablero superior. El tablero se apoya en pilas sobre el arco, el cual tiene consolas que proporcionan a las pilas poyos horizontales. Las pilas están arriostradas entre sí por diagonales de hormigón armado. Los vanos secundarios son integrales, ya que la distancia entre pilas es mayor que sobre el arco, el canto del tablero aumenta. Destaca por su galibo vertical de 108 m, lo que lo hace uno de los puentes más altos de Chile. Página 12 de 29 Puente Cruces: Ubicado en la Ruta T-350 que une a Valdivia con Niebla, este puente tiene 455 m de longitud total, con luces de cálculo de 35 m para 13 vanos. Es un puente mixto, cuya losa de hormigón armado se apoya sobre dos vigas doble T de acero. El ancho útil es de 10,40 m con una calzada bidireccional de 8 m. El tablero tiene una pendiente longitudinal del 6 % y transversal de 1,5 %. Las 12 pilas varían la altura según su ubicación aumentando hacia el centro, en donde llegan a los 28,6 m. La cepa tipo pila pilote es profunda. Las fundaciones de las 8 cepas en los sectores más profundos están constituidas por cilindros de 3 m. Este puente fue habilitado el año 1987. Puente Malihue: Ubicado en la comuna de Los Lagos, en la ruta T-39 entre Los Lagos y Panguipulli, salvando al río San Pedro. Tiene una longitud de 83 m divido en tres vanos y un ancho de 7,5 m. Es un puente integral de hormigón armado con puntales inclinados que reducen el canto del vano central. Las pilas están empotradas en el tablero y tienen apoyos articulados sobre el terreno. El canto del tablero continuo es variable y aumenta hacia los puntales. No está empotrado en el estribo. El tablero tiene diafragmas que rigidizan la sección de forma transversal. Este puente reemplaza a un anterior puente colgante. Página 13 de 29 Puente Huacamal: Ubicado en la comuna de Río Bueno, en la ruta T-855 en el camino de Huacamalal a Pitriuco. Único puente colgante de la red vial. Es un puente colgante sin viga atiesadora, de 49 m de longitud total. Tiene un ancho restrictivo de 4 m. Posee vigas transversales de acero en celosía con canto variable que disminuyen hacia los extremos. El cable principal se cuelga sobre dos pilones de hormigón armado. La conexión entre el cable principal y el tablero híbrido (madera-acero) es a través de péndolas verticales. Tiene una capacidad de carga de 6 t y galibo vertical de 29,6 m. Sus estribos y fundaciones son de hormigón armado. El tipo de fundación es directa. ESTADO DE CONSERVACIÓN Y PÉRDIDA DE SEGURIDAD VIAL Como resultado de las inspecciones visuales y su posterior procesamiento, 136 puentes resultaron tener una calificación igual a 3, 376 igual a 4 y 72 puentes obtuvieron nota igual a 5, no existieron puentes con calificación 6 o 7. Los porcentajes se resumen en la FIGURA 7. Distribución de notas globales resultado de la inspección visual 72 12% 136 23% Nota 3 Nota 4 Nota 5 Nota 6 Nota 7 376 65% FIGURA 7 Distribución de notas de puentes que resultado de la inspección visual de puentes en terreno. Página 14 de 29 Esta distribución de notas está directamente relacionada con daños frecuentes que tienen su origen en la etapa constructiva. Se observa ausencia de elementos, defectos constructivos o incumplimiento de lo establecido por el Manual de Carreteras, específicamente el Volumen 4, el cual describe en láminas tipo, las características que debe cumplir un puente. En un alto porcentaje de los casos, estos daños/defectos afectan directamente a la seguridad vial, generando un riesgo tanto para los peatones como para los vehículos que transitan sobre el puente. Dentro de los daños o defectos más frecuentes presentes dentro de los puentes de la región, destacan los encontrados en la TABLA 4. TABLA 4 Daños y defectos típicos que afectan a los puentes de la región. Código Daño Cantidad % 50,50 610001 No existe / no funciona barrera de contención 308 46,32 151012 Separación entre tablones de resistencia 277 310004 Falta delineador vertical en la entrada al 43,48 260 puente 210004 Gran cantidad de tierra y vegetación en la 36,79 220 mesa de apoyo 210002 Longitud de mesa de apoyo menor que 0,7m + 26,25 157 0,005L 310002 Falta señal "Puente angosto" (PF-3) a 100 m 23,91 de un puente con ancho total menor que 143 calzada + berma del camino 23,58 600001 Contención del relleno del estribo ineficiente 141 22,91 340002 Junta permeable en calzada 137 22,28 133 Resulta importante destacar que debido a su importancia en la seguridad vial, el defecto causado por la ausencia de barreras, guardarruedas y barandas a la vez sobre el puente otorga a los puentes la menor calificación posible (3), generando una necesidad de atención inmediata en 133 puentes. Fuera de los daños frecuentes, existe un grupo de daños poco comunes encontrados en las etapas de inspección, que se añadieron al catálogo de daños. Dentro de este grupo de daños figuran el desaplomo de algunos elementos, juntas de dilatación obstruidas por material bituminoso, existencia de elementos extraños adosados al puente, presencia de fisuras mayores a 0,4 mm, filtraciones y carbonatación con armadura expuesta. Estos daños presentaron un porcentaje de aparición en menos del 10% de los puentes, algunos de estos daños se pueden observar en la Tabla 5. Página 15 de 29 TABLA 5 Ejemplos de daños detectados en la inspección visual. a) Carbonatación con armadura expuesta. b) Desaplomo de cepa de puente. c) Estructura extraña adosada al puente. d) Filtraciones bajo losa de puente. e) Fisura expuesta a humedad mayor a 0,4 mm. f) Junta de dilatación obstruida por material bituminoso. PRIORIZACIÓN DE LA INTERVENCIÓN: REVISIÓN DEL ESTADO DE ARTE En primer lugar, se debe estudiar las metodologías de priorización de conservación de puentes existentes. En este sentido, los criterios de priorización utilizados por las autoridades en otros países se muestran en el cuadro resumen de la Tabla 6. Página 16 de 29 TABLA 6 País Criterios de priorización (Godart y Vassie, 1999) Criterio de priorización Alemania Condición de los puentes Grado y consecuencias de daños Importancia de las vías Ancho del tablero Seguridad Dinamarca Minimización de tránsito de los costos de mantención Francia Condición de los puentes Importancia de las vías Política Reino unido Costo de vida completo Índice de seguridad Política Noruega Grado y consecuencia de daños Investigación de estrategias alternativas en términos de opciones técnicas y comparación entre el costo de Finlandia Índice de reparación (basado en clases de daños partes mantenimiento (costos directos e indirectos) y de el las valor de estructurales reemplazo del puente. Eslovenia y de urgenciade Clasificación delareparación estructurade los daños) Importancia de las vías Capacidad de carga California Relación entre Costo y Beneficio Como se puede desprender de la tabla anterior, los criterios usados son muy variados. No existe un único criterio ni tampoco una línea común de toma de decisiones. Sin embargo, entre los variados criterios se pueden generalizar los siguientes: • Grado de daño • Importancia del camino • Seguridad • Urgencia • Costo/Beneficio Basado en este análisis, se decidió desarrollar un método de priorización multicriterio que partió inicialmente del método usado en Alemania (DIN 1076) y en los trabajos de (GARRALAGA y HERZ 2008) y (VALENZUELA et al. 2010). ANÁLISIS CONCEPTUAL DE LOS CRITERIOS DE PRIORIZACIÓN Grado de daño Parece ser lógico priorizar la intervención de un puente con daños graves sobre uno con daños menores. Sin embargo, no está tan claro como clasificar la gravedad de un daño. La Página 17 de 29 norma alemana DIN 1076 propone clasificar el grado de daño según sus efectos sobre tres subcriterios: • Estabilidad/Resistencia estructural • Funcionalidad/Seguridad de tránsito • Durabilidad Esta clasificación permite acertar de mejor manera la evaluación del grado de daño, por lo que se ha acogido en el presente proyecto. Sin embargo, a la hora de clasificar el efecto del daño sobre los subcriterios, la norma alemana propone evaluar “en qué medida” se ve afectada la estabilidad, funcionalidad o durabilidad de la estructura. Es decir, se determina la capacidad restante de cumplir los subcriterios; en cuanto menor es la capacidad, mayor es el grado de daño. Este enfoque deja de lado el tiempo en que la capacidad restante podría dejar de existir. Por eso, decidimos relacionar el grado de daño directamente con este tiempo, es decir con el plazo que queda antes de que la capacidad restante se reduzca a cero. Importancia del camino En redes viales complejas, como las de toda una región o de todo un país, con miles de puentes construidos, es bastante probable que se encuentre un gran número de puentes con similares o iguales condiciones de deterioro. Para establecer un orden de priorización entre ellos, parece recomendable determinar la importancia funcional que tienen dentro de la red vial. Esta importancia debe evaluarse con los escenarios funcionalidad limitada (con algunas restricciones de tránsito) o funcionalidad nula (puente cerrado). Los criterios de evaluación de la importancia son tan variados como los intereses de los usuarios de la red vial. Entre ellos se cuentan: • Existencia y largo de rutas alternativas • TMDA • Tipo de actividades económicas y sociales apoyadas por la ruta • Largo y ancho del puente • Restricción de carga en el puente • Tipo de pavimento de la ruta • Clasificación de la ruta • Número de habitantes afectados Página 18 de 29 Si bien, cada uno de estos criterios contribuye a la importancia de un puente, se concluyó que algunos criterios están contenidos indirectamente en otros. Por ejemplo, el tipo de pavimento de una ruta está relacionado con su clasificación que a su vez está relacionado con el TMDA. No todos los criterios son igualmente importantes, por ejemplo, la no existencia de una ruta alternativa seguramente otorga mayor importancia a un puente que el hecho de que la ruta esté pavimentada. En este sentido, los diferentes criterios requieren de una ponderación entre sí para hacerlos comparables en diferentes puentes. Seguridad De nuevo, parece lógico priorizar la intervención en un puente donde existe un peligro para la integridad de personas o bienes sobre uno donde no existe tal peligro. Se pueden distinguir dos situaciones, en primer lugar la existencia de tal peligro y en segundo lugar, la posibilidad de que se produzca esta situación dentro de un plazo determinado. En consecuencia, lo que establece el orden de priorización es el plazo restante para que se produzca la situación de peligro. Dado que el peligro se origina en una condición no regular del puente, o sea en un daño, parece recomendable incluir el análisis de peligrosidad en la evaluación de los daños. Como fue mencionado anteriormente, se decide relacionar la evaluación del grado de daño directamente con el plazo que queda antes de que la capacidad estructural/funcional/de durabilidad restante se reduzca a cero. De tal forma no es necesario llevar un registro separado para el criterio de seguridad. Urgencia En el análisis de los criterios Grado de Daño y Seguridad, se llega a la conclusión que el plazo restante para la intervención de un puente para evitar el cierre o una situación de peligro es decisivo a la hora de priorizar la conservación. Esta conclusión se refleja en que algunas autoridades establecen como criterio separado la urgencia de atención de daños. Nuevamente, se considera que la urgencia se origina en un daño del puente y por eso parece recomendable dejar la evaluación de la urgencia de intervención relacionada al grado de daño. Costo/Beneficio Dado que el objetivo de la conservación de puentes es la reducción de los costos generados por una temprana reposición de los puentes, el costo del mantenimiento debe ser evaluado Página 19 de 29 siempre a la luz del costo de una reposición. El costo de mantenimiento total no debe superar los costos involucrados en una reposición temprana del puente. En este sentido, el beneficio de la inversión en mantenimiento es el aumento de la vida útil. Teóricamente, se puede establecer la relación costo/beneficio para cada puente dentro de una red vial y usarlo como criterio de priorización. Sin embargo, esto requiere un estudio ingenieril particular por puente, lo que en la práctica fracasa frente al número total de puentes. Además, existen importantes ahorros en los costos de obras de mantención, cuando estos son contratados por paquetes de puentes, de la misma tipología o en la misa zona geográfica. En estos paquetes puede haber puentes con diferentes grados de daño y de diferente importancia. Se concluye que en la práctica es inviable aplicar este criterio con certeza a todos los puentes de una red vial compleja. Se deben buscar mecanismos aproximados para tener en cuenta la relación costo/beneficio para la priorización de la conservación de puentes. SISTEMA DE PRIORIZACIÓN PROPUESTO Basado en los trabajos realizados a los que se hace referencia en la introducción, se llegó a un sistema de priorización multicriterio que contempla dos pasos. En un primer paso se determina de forma automatizada un índice de prioridad, basado netamente en evaluaciones técnicas. Este índice tiene en cuenta el estado de conservación del puente o su grado de daño, así como su importancia en la red vial. En un segundo paso se asignan anualmente las operaciones de mantención a ejecutar teniendo en cuenta tanto el índice de prioridad como la relación costo beneficio. El segundo paso requiere un control manual, dado que no era viable automatizar la asignación certera de costos, como se explicó anteriormente. Cabe destacar que esta propuesta está en permanente revisión y desarrollo, por lo que no se puede considerar definitiva. Evaluación del grado de daño A nivel conceptual, la evaluación del grado de daño debe considerar el plazo máximo recomendable para la atención especial del daño y/o de la deficiencia. En cuanto menor es el plazo recomendable, mayor es el grado de daño (ver Tabla 2). Los daños y deficiencias de un puente pueden afectar a tres propiedades fundamentales del puente: Página 20 de 29 Resistencia (R) Para cumplir con las exigencias a la resistencia del puente o de sus elementos se requiere que estos resistan sin daños las solicitaciones de uso máximas proyectadas o señalizadas. Seguridad Vial (V) La seguridad vial se refiere a la capacidad que posee la estructura de cumplir los estándares de seguridad y confort para los usuarios, definidos en las normativas y leyes vigentes. Esto abarca las condiciones de seguridad, transitividad, alumbrado, deformaciones, vibraciones y señalización. Durabilidad (D) La durabilidad caracteriza la resistencia de la estructura o de sus elementos contra los agentes externos, proporcionando un tiempo de servicio más largo, manteniendo al mismo tiempo la resistencia y la seguridad vial en el uso rutinario y regular así como los procedimientos de mantenimiento. El puente presenta una buena durabilidad si la estructura o sus componentes, no muestran ninguna falla o solo presentan defectos leves, en donde estas fallas pueden ser reparadas en un plazo de tiempo corto y definido. Se espera que la estructura o componente siga trabajando sin restricción de uso, en función de la serviciabilidad que presente durante toda su vida útil. No existe durabilidad, si la estructura o componente presentan defectos o daños, que solo pueden ser reparados de forma extensa o deben ser sustituidos. Cuando estas medidas no se efectúen, se reducirá la vida útil. Para la evaluación de los daños individuales debe tenerse en cuenta que la resistencia y la seguridad vial se consideran solo los efectos actuales de los daños. La evaluación de los efectos de los daños de durabilidad considera efectos que puedan surgir en el tiempo. La nota del Grado de Daño global (BC), se obtiene de la menor nota de cualquier categoría de cualquier daño registrado en el puente. Este procedimiento se ajusta al concepto de que para cada daño se evalúa el plazo recomendable para su atención. Consecuentemente, un Página 21 de 29 puente debe ser intervenido inmediatamente cuando existe un solo daño en esta condición, aunque existan mucho otros daños que se pueden intervenir a largo plazo. Factor de importancia De la variedad de criterios de importancia encontrada en la literatura se eligieron 5, que representan a todos los demás. Estos son: • Existencia y largo de rutas alternativas • TMDA • Ancho del puente • Restricción de carga en el puente • Número de habitantes afectados Cada uno de estos criterios es evaluado y transformado en un valor numérico. Según las siguientes tablas. Tipo de desvío Estructura o ruta paralela Desvío largo No hay desvíos Existencia y largo de rutas alternativas Calificación Descripción VA 0 Existe estructura cercana al puente. Permite tráfico con congestión. Existen rutas similares como alternativa. Tiempo y costos de los usuarios noy 2 Las rutas alternativas incrementan el tiempo cambian. costo de los usuarios. 4 No existen rutas alternativas. Tránsito medio diario anual (TMDA) Nivel de tránsito Calificación NT Bajo (TMDA < 500) 0 Medio (500 < TMDA < 1.200) 2 Alto (TMDA > 1.200) 4 Calificación del ancho Insatisfactorio Satisfactorio Tipo de restricción Restringido Sin restricciones Ancho del puente Calificación Descripción A 0 Tablero muy angosto. Un carril con dos sentidos de tránsito. 4 Tablero con al menos dos carriles, uno para cada sentido de tránsito. Calificación de restricción de carga Calificación Descripción R 0 Existen limitaciones de peso para los vehículos. 4 Se permite el paso a todo tipo de vehículos. Página 22 de 29 Habitantes afectados Número de afectados Calificación HA 0 a 50 0 51 a 500 2 más de 500 4 Los criterios de clasificación del TMDA y de los habitantes afectados fueron calibrados para las condiciones existentes en la Región de Los Ríos. Deben ser revisados y adaptados para su uso en otras regiones. Índice de prioridad El Índice de Prioridad (IP) corresponde a un ranking de puentes ordenado jerárquicamente en base a los siguientes criterios: Conservación/Grado de Daño) la condición del puente (Estado de y su importancia para la red. Las ecuaciones para el cálculo de IP se muestran a continuación. Índice de Prioridad (IP) IP = BC ; si BC < 4 IP = BC - X · FI + 4 ; si BC ≥ 4 donde: - BC: es la nota del estado de conservación del puente (grado de daño) - X: peso del factor de importancia, se calcula con: - X = 2,3 -2 * BC + 8 FI: factor de importancia de la estructura, y que se calcula si no posee habitantes afectados según: FI = 0,4NT + 0,3VA + 0,15A + 0,15R si posee habitantes afectados, FI se calcula según: FI = 0,3NT + 0,3VA + 0,15A + 0,15R + 0,1HA donde: NT: clasificación del nivel de tránsito VA: clasificación de las vías alternativas A: clasificación del ancho R: clasificación de la restricción de carga HA: clasificación de los habitantes afectados Página 23 de 29 El peso del factor de importancia así como las ponderaciones de sus componentes se obtuvo de un análisis paramétrico de un número de 30 puentes de la Región de Los Ríos (Molina 2012). Se estableció de manera manual y de acuerdo a los criterios de la Dirección Regional de Vialidad un ranking objetivo de los 30 puentes y se ajustaron las ponderaciones hasta que se llegó a este ranking. Aun así, estas ponderaciones están dentro de los parámetros que cuyo pertinencia es constantemente revisado. Asignación anual de las operaciones de mantención El Índice de Prioridad permite establecer un ranking de todos los puentes de una red vial, considerando el grado de daño y la importancia de cada puente. Para determinar definitivamente cuales de los puentes serán intervenidos, se asignan en un primer paso las acciones de conservación necesarias para atender los daños presentes en todos los puentes. Estas acciones de conservación se relacionan con precios unitarios tipo, de tal forma de obtener un costo de mantenimiento aproximado por puente. La asignación de acciones tiene un cuenta cuando la relación costo/beneficio no es positiva; en este caso se recomienda la reposición del puente. En un segundo paso, se analiza la lista del ranking a la luz del presupuesto anual disponible para la conservación de puentes. Una opción es asignar los recursos a los puentes en los lugares superiores de la lista, hasta que se acaben los recursos. Sin embargo, para optimizar el uso de los recursos se requiere un análisis, por el momento manual, de los efectos de reducción de costo por licitación en paquetes. También se debe analizar la posibilidad de atender solo ciertos daños en los puentes y no rehabilitarlo en su totalidad. Este proceso, actualmente se lleva a cabo de manera manual, dada la multitud de factores que influyen la decisión. Sin embargo, se está analizando la posibilidad de automatizar ciertos procesos de este procedimiento. PROGRAMA INFORMÁTICO DE GESTIÓN DE DATOS Para la gestión de los datos usados en estos procedimientos se creó un Sistema de Gestión de Puentes que corresponde a un programa computacional desarrollado en un entorno web. El programa consta de una base de datos que contiene la información de los puentes y otra base de datos que contiene un catálogo con todos los posibles daños que pueda tener el puente. Página 24 de 29 Respecto a la información de los puentes, la base de datos contiene algunos registros básicos como ubicación, nombre, código, ruta donde se encuentra, longitud, planos, fotografías, entre otros. El catálogo de daños contiene todos los posibles defectos que la estructura pueda tener. Asociado a cada daño existen tres calificaciones: Resistencia (R), Seguridad Vial (V) y Durabilidad (D). Cada calificación está en el rango de 3 a 7, siendo 3 lo peor y 7 lo mejor. Basado en las calcificaciones de cada daño, se obtiene una calificación única general para el puente. El programa consta de cinco partes o módulos, cada uno de los cuales realiza una determinada función. Los módulos son: catastro, inspección y evaluación, acciones de conservación y gestión de conservación. Catastro En este módulo se encuentra toda la información relevante acerca de los puentes que estén ingresados en el sistema, a su vez, se puede añadir o modificar datos al programa. La función de este módulo es actuar como catastro de los puentes que se deseen administrar. Los contenidos de este módulo son por ejemplo: Localización de la estructura, datos geométricos, planos, entre otros. El objetivo de esta función es contener y organizar la información existente de los puentes. Inspección y Evaluación Con este módulo se trabaja principalmente durante y después de la inspección visual de puentes. Como fue mencionado anteriormente, el módulo contiene un catálogo de daños, que es continuamente actualizado por el equipo de inspección de puentes. Los defectos y daños identificados en la inspección visual se ingresan en el programa a través de su elección en el catálogo de daños. La calificación del daño está igualmente definida en el catálogo para garantizar la evaluación objetiva del estado de conservación. De este modo, se reduce la subjetividad en las inspecciones. Acciones de conservación En esta parte del programa el administrador de puentes debe seleccionar las acciones para mitigar o reparar los daños o defectos detectados en las estructuras. Análogo al módulo anterior, el programa contiene una base de datos donde se encuentra una lista de posibles Página 25 de 29 medidas para la conservación de los puentes, estas acciones, a su vez, están ligadas a un costo. El objetivo de esta función es determinar las acciones a tomar para la rehabilitación del puente, obteniendo al mismo tiempo el costo aproximado que la reparación conlleva. Las acciones de mitigación de los daños están basadas en las operaciones y partidas expuestas, en este caso, en el Manual de Carreteras, principalmente en el volumen 5 y 7, ya que en ellos están contenidas las partidas y operaciones referidas a puentes y obras relacionadas. En el caso de la inexistencia de alguna operación que se refiera a la mitigación de algún daño en específico, esta operación es posible crearla y adicionarla al sistema mediante la cuenta del administrador de la base de datos. Esto último hace posible la complementación de la plataforma de forma constante. Gestión de conservación Corresponde a la organización de los puentes de acuerdo a distintos criterios, como pueden ser el estado de conservación, costos de reparación, etc. Esta función tiene como objetivo priorizar la inversión en la conservación de las estructuras de acuerdo a los criterios que el administrador estime conveniente. Análisis y estadística de la base de datos Esta función se basa en la realización de consultas a la base de datos donde se encuentra toda la información de los puentes, esto es, obtener información relevante para el administrador a través del filtrado de datos. RESUMEN Y CONCLUSIONES INSPECCIÓN DE PUENTES El patrimonio de puentes en la Región de Los Ríos cuenta con 597 puentes dentro de la red vial pública. De estos puentes, un 62 % de los puentes tienen carácter provisorio o semidefinitivo y el 38 % restante corresponden a puentes mixtos o de hormigón. Aproximadamente el 90 % de los puentes tienen una longitud menor a 45 m y 14 superan los 100 metros. Con respecto al ancho del tablero, el 76 % de los puentes tiene una ancho menor a los 8 metros, mínimo para un puente de doble vía y un 43 % tienen un ancho menor a 4,5 m. Con respecto a las tipologías, el porcentaje de puentes con una superestructura no convencional es mínimo en relación al total, correspondiendo el mayor porcentaje a puentes tipo viga, con cantos constantes, variando entre vigas simplemente apoyadas y continuas. Página 26 de 29 La inspección visual descrita en el presente estudio permitió analizar la situación actual en términos de conservación estructural de los puentes de la Región de Los Ríos. Existe un gran porcentaje de puentes en estado deficiente, ya sea por defectos constructivos o daños causados durante el uso a lo largo de la vida útil del puente. Estos estados podrían deberse a la ausencia de inspección regulares, las que permitirían la identificación de posibles daños a tiempo y una oportuna subsanación, y la ausencia de acciones de conservación que profundiza el estado de deterioro. Debido a que el estado de conservación es bajo, existe una gran cantidad de puentes con nota global 3 que derivan a una acción de mitigación inmediata. Ya que esto no es posible por la cantidad de recursos que conlleva el realizarlo, se deben flexibilizar los criterios de evaluación. Sin embargo, se recomienda, por mientras, el uso de señalética, como restricciones de carga, de velocidad, entre otros. Se observó en terreno que existe una gran cantidad de puentes provisorios de madera que no cumplen con lo establecido en el Manual de Carreteras. Además, debido a la tipología de puente usado, existe un rápido deterioro de la madera y estos puentes deben ser renovados en períodos de 4 a 8 años, por lo que el costo económico aumenta. Para estos puentes, se debe usar otro material, o usar la madera de forma que no se humedezca. Debido a la situación general observada y considerando el valor económico y la importancia social que poseen los puentes dentro de la red vial de la región, es vital utilizar un procedimiento establecido de inspección y mantenimiento. Con el fin de mejorar paulatinamente el estado de conservación de los puentes, estos deben ser realizados de forma continua y deben ser optimizados a través del tiempo. PRIORIZACIÓN DE LAS INTERVENCIONES El objetivo de la conservación de puentes es una optimización de las inversiones públicas en la construcción de puentes, mediante el aumento de su vida útil. Sin embargo, no se suele asignar un presupuesto de mantenimiento permanente a cada puente construido, sino que se asigna un presupuesto global, inferior a la suma de acciones de mantenimiento requeridas. De ahí nace la necesidad de priorizar un puente sobre otro para decidir en cuál invertir mediante una conservación. A nivel internacional existen variadas metodologías de priorización de la conservación de puentes. Las Direcciones de Vialidad Región de Los Lagos, Región de Los Ríos en conjunto con la Universidad Austral de Chile, han comenzado en 2009 el desarrollo de un sistema de priorización que da cuenta de las condiciones Página 27 de 29 regionales específicas. Este trabajo culminó momentáneamente en una propuesta de un sistema de priorización multicriterio que se basa en: • Grado de Daño según el plazo recomendado para la atención del daño • Importancia del puente dentro de la red vial • Relación Costo/Beneficio El grado de daño se determina mediante inspecciones de los puentes, evaluándolos en tres aspectos: Resistencia, Seguridad Vial y Durabilidad. La nota del grado tiene en cuenta solamente el plazo recomendado para la intervención, entre “largo plazo” e “inmediato”. La importancia del puente a su vez considera los siguientes criterios: • Existencia y largo de rutas alternativas • TMDA • Ancho del puente • Restricción de carga en el puente • Número de habitantes afectados La relación costo/beneficio se tiene en cuenta momentáneamente mediante un proceso manual, dado que no fue viable asignar con certeza los costos de mantenimiento a cada puente. Igualmente, la determinación del beneficio, o sea, el aumento de la vida útil, requiere un estudio ingenieril de cada puente en particular. Todos estos procesos de gestión se apoyan por en software especialmente creado para este fin y desarrollado en un entorno web. Como línea de futuras investigaciones, se propone estudiar especialmente la inclusión de la relación costo/beneficio de las acciones de conservación, ya que estos son los que finalmente justifican el gasto en la mantención de puentes. Página 28 de 29 REFERENCIAS INSPECCIÓN DE PUENTES 1. DIN 1076 (1983). Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen, Überwachung und Prüfung, Ausgabe 03/1983, Berlin: Beuth Verlag (1983), 1983-03-01. 2. Ministerio de Obras Públicas, MOP (2012a) Manual de Carreteras 2012, Volumen N° 3. Instrucciones y Criterios de Diseño. Capítulo 3.100. Controles Básicos de Diseño. Dirección de Vialidad, Chile, 2012. 3. Ministerio de Obras Públicas, MOP (2012b) Manual de Carreteras 2012, Volumen N° 5. Especificaciones Técnicas Generales de Construcción. Dirección de Vialidad, Chile, 2012. 4. Ministerio de Obras Públicas, MOP (2012c) Manual de Carreteras 2012, Volumen N° 7. Mantenimiento Vial. Dirección de Vialidad, Chile, 2012. PRIORIZACIÓN DE LAS INTERVENCIONES 1. GARRALAGA JORGE; HERZ MARCELO. 2008. Gestión de riesgo en gerenciamiento de puentes con modelos de decisión multicriterio discretas. Rev. Int. de Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil. 8(2) 151:164. 2. Molina Nicolás. 2012. Diseño de un Sistema de Gestión de Puentes bajo Enfoque de Priorización de la Inversión, Trabajo de Titulación, Universidad Austral de Chile 3. VALENZUELA SERGIO; H. DE SOLIMNIHAC; T. ECHAVEGUREN. 2010. Proposal of an Integrated Index for Prioritization of Bridge Maintenance. J. of Bridge Eng. 15(3) 337:343. 4. GODART, B; P.R. VASSIE. 1999. Review of existing BMS and definition of inputs for the proposed BMS. Deliverable D4 for BRIME Proyect PL 97-2220. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Dirección de Vialidad del Ministerio de Obras Públicas y a la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Austral de Chile, por su apoyo durante el desarrollo de esta investigación. Página 29 de 29