Evaluación de estructuras de puentes existentes con metodologías basadas en la confiabilidad

La aplicación de las normas de diseño en procesos de evaluación de estructuras de puentes existentes, lleva a algunas contradicciones. Es así que, puentes que no cumplen con todas las verificaciones requeridas por las actuales normas de diseño, pueden mantener las condiciones de servicio. Esta situación es habitual en estructuras de puentes cuya carga de uso aumenta, que han sufrido cierto nivel deterioro, o incluso en estructuras nuevas que presentan errores de ejecución.
Las normas de diseño actuales utilizan coeficientes parciales de seguridad para cargas y materiales. Estos coeficientes están calibrados bajo determinadas condiciones e incertidumbres, que no corresponden a la situación de un puente existente. A partir de información existente, por ejemplo, del control estadístico de los materiales, el relevamiento de la geometría exacta de la estructura, o de una evaluación precisa de las cargas efectivamente actuantes, se tiene una menor dispersión de las propiedades de los materiales y las cargas. Esta información se complementa con la extracción de testigos, mediante ensayos no destructivos y/o mediciones del nivel de tráfico. De este modo, se puede estudiar su desempeño con coeficientes de seguridad menores, manteniendo un índice de confiabilidad adecuado.

ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO
Los métodos de análisis de estructuras se pueden clasificar en dos grupos: probabilísticos y de factores parciales. Los primeros estiman la probabilidad de falla en base a distribuciones de probabilidad para ciertas variables básicas. Los últimos utilizan coeficientes parciales de seguridad y se aplican principalmente en el diseño estructural. El valor de estos factores depende de la situación de diseño y del estado límite considerado en la norma ISO 2394:1998. Los métodos probabilísticos se utilizan para calibrar los coeficientes de los métodos de factores parciales y para analizar problemas específicos de diseño.
En las normas de diseño, los factores parciales se calculan considerando una estructura nueva. Estas normas no son apropiadas para la evaluación debido a varios motivos. En primer lugar, al evaluar un puente se pueden medir un conjunto de variables que al diseñar eran valores esperados.
En cuanto a los estados límite de servicio, es posible medir deflexiones, fisuras y vibraciones. En relación a la durabilidad, se tiene a la vista el estado de conservación actual, por lo que es más sencillo estimar su desarrollo posterior. Además, muchos países cuentan con programas de inspección y mantenimiento de puentes, contando así con informes periódicos del estado de la estructura.
Durante los últimos 20 años, se han desarrollado metodologías para evaluar el desempeño y la vida útil remanente de estructuras existentes. En los puentes, los altos costos de las obras de refuerzo estructural llevaron a revisar criterios considerados conservadores, que se aplican principalmente por su simplicidad. Entre dichas metodologías se encuentran los análisis estructurales más detallados, el uso de índices de confiabilidad menores que los que se utilizan para el diseño, la actualización de los modelos de carga con mediciones in situ del nivel de tránsito real, la ampliación de la información existente de los materiales mediante ensayos no destructivos y/o monitoreo estructural, la realización de ensayos para estimar la capacidad de carga del puente y métodos de cálculo como el de valor de diseño o el de factores parciales ajustados. En muchos casos se demostró que puentes que no cumplían las verificaciones de diseño, eran capaces de soportar las cargas aplicadas durante el periodo esperado. Esto llevó a profundizar las investigaciones para desarrollar nuevas técnicas de evaluación, rehabilitación y mantenimiento de puentes existentes.
Existen normas específicas para la evaluación de puentes existentes en Reino Unido, Canadá, Estados Unidos, Suiza y Dinamarca. Debido al éxito de la aplicación de estos códigos, se está considerando la creación de un Eurocódigo que trate la evaluación de puentes, en el cual se incluya al menos los siguientes puntos: aplicar directamente métodos probabilísticos, inclusión de criterios de redundancia en los sistemas estructurales, uso de cargas móviles medidas en sitio y de factores de amplificación dinámica, incorporación de medidas de campo y ensayos de carga.
Al igual que en la normativa de diseño, se aplican métodos basados en el concepto de confiabilidad para calibrar los factores parciales, y se pueden estimar otros factores parciales (diferentes a los de diseño) para la evaluación de puentes existentes. Si bien los procedimientos son similares, los índices de confiabilidad objetivo cambian, al igual que los periodos de servicio a considerar.
Estas normativas tienen como propósito brindar un marco objetivo para la que la evaluación no se base tanto en la experiencia y la subjetividad de quien la inspecciona.

INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE CONFIABILIDAD
En la norma ISO 2394:1998, se define la confiabilidad como la capacidad de la estructura, o de uno de sus elementos, de cumplir los requisitos específicos para los que se diseñó, durante su vida útil remanente. El grado de confiabilidad que se busca superar varía de acuerdo a las consecuencias de la falla y según el nivel de riesgo .
Según el modelo de cálculo de cada estado límite o de servicio, debe contener un conjunto de variables básicas que caracterizan la geometría de la estructura, las acciones y propiedades de los materiales y del suelo. Estas variables básicas, al ser aleatorias, se describen mediante distribuciones de probabilidad. El modelo probabilístico se basa en el análisis estadístico de la información disponible, en el cual es importante separar e identificar las diferentes series de datos para la utilizar función de distribución correcta, así como examinar los datos para eliminar errores de medida, efectos de escala, etc.
Las variables básicas se pueden clasificaren tres conjuntos: los valores de diseño de las acciones \»F\», las propiedades de los materiales \»f\» y las características geométricas \»a\». Estas variables, junto a los factores que describen las incertidumbres \»θ\» se separan en dos grupos: solicitaciones Q (F, f, a, θq) y resistencias R (F, f, a, θR). Se define un margen de seguridad M, tal que M=R-Q. Entonces el estado límite no se supera si se cumple que M(Qd, Rd)≥0. En la Figura 1 se presenta una gráfica en la que las funciones Q y R presentan una distribución de probabilidad de tipo normal.

Figura 1: Evaluación de la probabilidad de falla en modelos probabilísticos de solicitación y resistencia.

Al analizar la estructura según estos criterios, se busca la probabilidad de falla de la estructura Pf, que en la Figura 1 corresponde a la superficie sombreada bajo la curva fR-Q. Esta se puede escribir como Pf=p[M<0] y entonces se define el índice de confiabilidad β como β=-Ф-1(Pf) siendo Ф-1 la función inversa de la distribución normal estándar (Tabla 1). A modo de ejemplo, en los Eurocódigos, para el diseño de un puente nuevo con una vida útil de 100 años el índice de confiabilidad especificado es 3,8.

Tabla 1: Valores del índice de confiabilidad y de la probabilidad de falla asociada.

En pocos casos se cuenta con suficiente información para determinar la función de probabilidad inequívocamente. Para la mayoría de las aplicaciones son válidas las siguientes recomendaciones:

• Para acciones permanentes y variables: distribución normal.
• Para valores extremos de cargas que varían en el tiempo: distribuciones Gumbel.
• Para propiedades de materiales: distribución normal o lognormal.
• Para los modelos de resistencia: Lognormal o Weibull.

Las normas ISO 13822:2001 e ISO 2394:1998, presentan procedimientos para determinar valores de cálculo en base a resultados de ensayos. En la Figura 2, la curva 1 representa la distribución de probabilidad de los valores de diseño, mientras que la curva 2 indica la curva \»actualizada\». En esta gráfica se muestra un caso en que la actualización resultó favorable.

Figura 2: Funciones de densidad de probabilidad original (1) y actualizada (2) para una variable aleatoria.

METODOLOGÍA
Esta metodología se ha elaborado en base a la norma ISO para evaluación de estructuras existentes.Se incluyen también, elementos de normativas y publicaciones científicas recientes, acotando el enfoque a la evaluación de puentes. Se presenta un esquema en la Figura 3.

Figura 3: Metodología de evaluación.

En primer lugar se definen los objetivos de la evaluación en función de la vida útil remanente de la estructura. Un puente será evaluado al menos en las siguientes situaciones: modificación de la estructura (por ejemplo, instalación de pasarelas peatonales a los lados de un puente); cambio de uso; extensión de la vida útil de diseño; aumento de cargas; reparación de por deteriorado o daños debidos a cargas accidentales; si la confiabilidad de la estructura está en duda; y si la evaluación es requerida por autoridades, compañías de seguro o en planes de mantenimiento.
Para la inspección detallada se debe considerar:

• Medición de las cargas reales en sitio. En algunos casos se cuenta con información del tipo de carga más frecuente, o se puede monitorear durante cierto plazo.
• Para estudiar las propiedades de la estructura, realizar en primer lugar ensayos de bajo costo que puedan verificar o refutar los resultados de la evaluación inicial. Si no se alcanza el nivel de confiabilidad esperado, evaluar los costos de realizar ensayos y actividades de monitoreo, así como del costo de la reparación o refuerzo estructural.
• En el análisis estructural se debe considerar el posible deterioro de la estructura, aplicando directamente métodos probabilísticos.
• Verificación utilizando normativa específica, por ejemplo ISO 2394:1998.

REFLEXIONES
La utilización de normas de diseño para la evaluación de puentes existentes aplica criterios conservadores y por lo tanto antieconómicos. Debido a la información de la que se dispone por estar construida la estructura, la incertidumbre se puede reducir. Criterios basados en confiabilidad permiten estimar la seguridad y funcionalidad de un puente, actualizando la capacidad resistente y las solicitaciones reales.
La aplicación de estas metodologías en muchos casos permite mantener puentes en servicio, aunque no cumplan con los requerimientos de las normas de diseño, manteniendo niveles adecuados de confiabilidad.

*La Ing. Valentina Machín Sobrino y el Dr. Ing. Fernando Sima Brum pertenecen al Instituto de Estructuras y Transporte \»Ing. Julio Ricaldoni\» de la Universidad de la República de Uruguay.