Vigas de Puente — Tipos, Modos de Deterioro, Inspección y Calificación de Carga

Definición y Función Estructural de una Viga de Puente

Una viga de puente es el elemento horizontal principal de carga en la superestructura de un puente. Se extiende entre soportes verticales — estribos en los extremos del puente y pilas en puntos intermedios — y soporta directamente la plataforma del puente. La viga resiste momentos flectores (flexión) y fuerzas cortantes inducidos por cargas muertas (peso propio de la viga, plataforma, superficie de rodadura, servicios públicos, barreras) y cargas vivas (tráfico vehicular, peatones). Las vigas transmiten estas cargas a través de apoyos a la subestructura y, finalmente, a la cimentación.

La función estructural de una viga se define por su mecanismo de resistencia. En una viga simplemente apoyada, el ala superior está en compresión y el ala inferior en tracción bajo cargas gravitacionales, mientras que el alma resiste el corte. En vigas continuas que se extienden sobre múltiples pilas, el momento flector se invierte sobre los apoyos — el ala superior está en tracción y el ala inferior en compresión en la región de momento negativo sobre las pilas. Esta inversión de esfuerzos es una consideración crítica tanto en el diseño como en la inspección, ya que diferentes detalles propensos a fatiga y mecanismos de deterioro gobiernan en las zonas de momento positivo y negativo.

Las Especificaciones de Diseño de Puentes LRFD de AASHTO clasifican las vigas como elementos primarios de la superestructura. El Manual de Referencia para Inspectores de Puentes (BIRM) de la FHWA identifica las vigas como los elementos controladores de la superestructura para la evaluación de la condición. En el Manual para la Inspección de Elementos de Puentes (MBEI) de AASHTO, las vigas se rastrean como tipos de elementos distintos con números de elemento específicos: Elemento 110 — Viga/Viga Abierta de Acero, Elemento 111 — Viga Cerrada de Acero/Viga Cajón y Elemento 109 — Viga de Hormigón Pretensado. Cada elemento se cuantifica en unidades de pies lineales y se le asignan cantidades en cuatro estados de condición durante la inspección.

El rango de luces de los diferentes tipos de vigas varía significativamente. Las vigas de acero laminadas (perfiles W) son económicas para luces de hasta aproximadamente 30 m (100 pies). Las vigas armadas soldadas extienden el rango económico hasta 60 m (200 pies) o más. Las vigas I de hormigón pretensado AASHTO se utilizan para luces de 15 m (50 pies) a aproximadamente 45 m (150 pies), mientras que las secciones bulbo-tee alcanzan los 55 m (180 pies). Las vigas cajón de acero y las vigas artesa se utilizan para luces de 30 m (100 pies) a más de 90 m (300 pies) en aplicaciones curvas y de gran luz. Las vigas cajón de hormigón, típicamente postesadas in situ, se utilizan para luces de 25 m (80 pies) a más de 200 m (650 pies) en construcción segmental.

Tipos de Vigas

Las vigas de puente se clasifican por material (acero, hormigón pretensado, hormigón armado) y forma transversal (forma de I, cajón, artesa, forma de T, bulbo-tee). Los siguientes son los tipos principales de vigas utilizados en puentes de carretera modernos.

Viga I de Acero (Perfil Laminado). La viga I de acero se fabrica a partir de un perfil laminado estándar de ala ancha (perfil W) producido en acerías. Los perfiles laminados están disponibles en alturas de hasta aproximadamente 1.100 mm (44 pulgadas) y están limitados por las capacidades de los trenes de laminación. Los grados comunes incluyen ASTM A709 Grado 50 (resistencia a fluencia de 50 ksi) y Grado 50W (acero intemperie). Las vigas I laminadas son la opción más económica para luces cortas a moderadas porque no requieren soldadura de fabricación más allá de las placas de conexión y los rigidizadores. Se utilizan en sistemas de vigas múltiples con separaciones típicas de 1,8 a 3,7 m (6 a 12 pies) soportando una plataforma de hormigón armado colado in situ que actúa de forma compuesta mediante conectores de corte. El código de tipo de luz SNBI para vigas de acero laminadas es G02.

Viga Armada de Acero (Viga I Soldada). Cuando las demandas de luz y carga exceden la capacidad de los perfiles laminados, las vigas armadas se fabrican soldando placas de acero — una placa de alma y dos placas de ala — en una sección transversal en forma de I. Las vigas armadas son secciones armadas que pueden optimizarse para requisitos de diseño específicos, incluyendo altura variable y espesor de ala variable. La altura del alma puede ser de hasta 3 m (10 pies) o más, limitada solo por restricciones de transporte y consideraciones de pandeo lateral-torsional. Las placas de ala pueden tener hasta 100 mm (4 pulgadas) de espesor. Las vigas armadas comúnmente utilizan rigidizadores transversales soldados al alma para evitar el pandeo del alma y rigidizadores de apoyo en los puntos de soporte para transferir reacciones concentradas. Los rigidizadores transversales intermedios pueden diseñarse como rigidizadores de apoyo o como rigidizadores intermedios para resistencia al corte. Las especificaciones LRFD de AASHTO requieren que las vigas armadas con relaciones de esbeltez del alma (D/tw) que excedan ciertos límites tengan rigidizadores transversales. A veces se añaden rigidizadores longitudinales para vigas muy profundas para controlar el pandeo por flexión del ala comprimida. El código de tipo de luz SNBI para vigas armadas soldadas es G01.

Viga I de Hormigón Pretensado. Las vigas I de hormigón pretensado prefabricadas se encuentran entre los elementos de puente más comunes en los Estados Unidos. Las formas estándar de viga I de AASHTO — Tipos I a VI — se definen en las Especificaciones de Diseño de Puentes LRFD de AASHTO con alturas crecientes desde 710 mm (28 pulgadas) para el Tipo I hasta 1.830 mm (72 pulgadas) para el Tipo VI. Las secciones bulbo-tee del PCI (BT-54, BT-63, BT-72) ofrecen una eficiencia mejorada con un ala superior más ancha que aumenta el área de compresión y proporciona una superficie de colado de plataforma más grande. Las secciones bulbo-tee tienen alturas de 1.370 mm (54 pulgadas), 1.600 mm (63 pulgadas) y 1.830 mm (72 pulgadas). El pretensado se proporciona mediante torones de baja relajación de siete alambres (Grado 270 o Grado 250) con diámetros de 12,7 mm (0,5 pulgadas) o 15,2 mm (0,6 pulgadas). Los torones se tensan aproximadamente al 75% de su resistencia máxima a la tracción antes de la colocación del hormigón (pretensado). La fuerza de pretensado se transfiere al hormigón por adherencia después de que el hormigón alcanza una resistencia de liberación especificada, típicamente 5.000 a 6.000 psi. Se utilizan torones desadheridos en los extremos de las vigas para controlar los esfuerzos de tracción en la liberación. Los torones curvados (deprimidos en el centro del vano) optimizan la distribución del pretensado a lo largo de la viga. El código de material de luz SNBI para hormigón pretensado es C06 y el código de tipo de luz es S05.

Viga Cajón de Acero (Cajón Cerrado). Una viga cajón de acero es una sección transversal cerrada que típicamente consiste en dos o tres almas con alas superiores e inferiores, formando un cajón rectangular o trapezoidal que es torsionalmente rígido. Las vigas cajón cerradas se utilizan para puentes curvos donde las cargas torsionales por curvatura son significativas, para puentes de gran luz donde la estabilidad aerodinámica es importante, y para puentes con restricciones de altura libre donde la profundidad estructural menor de un cajón cerrado es ventajosa. Las vigas cajón se fabrican con placas de acero con uniones soldadas, y el ala superior típicamente actúa de forma compuesta con una plataforma de hormigón colada in situ. El interior cerrado de una viga cajón requiere escotillas de acceso, ventilación y sistemas de deshumidificación para prevenir la corrosión, y las inspecciones requieren protocolos de entrada a espacios confinados. El código de tipo de luz SNBI para vigas cajón de acero es G04.

Viga Artesa de Acero (Cajón Trapezoidal). La viga artesa de acero — también llamada viga cajón trapezoidal — es una sección transversal trapezoidal abierta por arriba que se convierte en una sección cerrada cuando se coloca la plataforma de hormigón. Las vigas artesa combinan la eficiencia torsional de un cajón con las ventajas constructivas de una viga I. El ala inferior es trapezoidal (más ancha en la parte inferior), con dos almas inclinadas. Las almas típicamente se rigidizan con rigidizadores longitudinales y transversales. Las vigas artesa se seleccionan por su apariencia estética — la sección transversal suave e ininterrumpida es visualmente preferida — y por su excelente rigidez torsional para puentes curvos. Las vigas artesa formadas por plegado son una variante especializada fabricada mediante el doblado en frío de placas de acero en formas artesa poco profundas, típicamente utilizadas para luces más cortas (15 a 30 m). La FHWA reconoce las vigas artesa como una solución eficiente para puentes curvos de luz moderada, ofreciendo ventajas significativas en rango de luces, rigidez y durabilidad. El Manual de Diseño de Puentes de Acero del AISC proporciona orientación integral de diseño para puentes de vigas artesa compuestas de acero.

Tabla Comparativa de Tipos de Vigas.

Deterioros en Vigas de Acero

Las vigas de acero se deterioran a través de varios mecanismos distintos que reducen la capacidad estructural. Cada modo de deterioro tiene indicadores visuales característicos, parámetros de medición y clasificaciones de severidad utilizados en la inspección.

Corrosión. La corrosión es el modo de deterioro más prevalente en las vigas de puente de acero. Es un proceso electroquímico en el cual el hierro del acero se oxida para formar óxidos de hierro (herrumbre) en presencia de oxígeno y humedad. La pérdida de sección por corrosión reduce la sección transversal efectiva de carga. Las ubicaciones críticas para la corrosión de vigas son las zonas de apoyo donde el agua y los químicos descongelantes se acumulan en el ala inferior y el alma, áreas de fuga en juntas de plataforma donde la falla del sellador de juntas permite que el escurrimiento con cloruros gotee sobre la viga inferior, zonas de salpicadura cerca del drenaje de la calzada donde el aerosol de los vehículos deposita humedad y sales, y bolsas donde se acumulan desechos contra la viga, atrapando la humedad. La corrosión se clasifica como corrosión superficial (menor, cosmética, menos del 10% de pérdida de sección), corrosión con pérdida de sección (10–30% de pérdida de sección, medible mediante medidores de espesor ultrasónicos) y pérdida de sección severa (más del 30% de pérdida de sección, que puede incluir agujeros en el alma o el ala). La Guía de Puntuación de la FHWA para la Corrosión de Puentes de Acero proporciona una clasificación de 5 categorías, desde la Categoría 1 (sin corrosión) hasta la Categoría 5 (agujeros en la viga). El acero intemperie (A709 Grado 50W) desarrolla una capa de pátina protectora que reduce las tasas de corrosión, pero puede desarrollar corrosión acelerada (delaminación de la pátina) en ambientes con humedad persistente, exposición a cloruros o drenaje deficiente.

Fisuración por Fatiga. La fisuración por fatiga es el deterioro más crítico en las vigas de acero porque puede provocar una fractura repentina y catastrófica. Las fisuras por fatiga se inician en puntos de concentración de esfuerzos donde los esfuerzos de tracción cíclicos exceden la resistencia a la fatiga del material. AASHTO categoriza los detalles de fatiga en categorías A a E’ según la resistencia a la fatiga del detalle, siendo la Categoría A la más resistente (acero laminado simple) y la Categoría E’ la menos resistente (placas de cubierta gruesas con soldaduras transversales en los extremos). Las ubicaciones más propensas a fatiga en las vigas de acero incluyen: bordes de soldadura de rigidizadores transversales, terminaciones de soldadura en agujeros de alivio, extremos de placas de cubierta (Categoría E para espesor de ala menor de 20 mm, Categoría E’ para espesor mayor de 20 mm), placas de conexión para marcos transversales y diafragmas, recortes en bloque en los extremos de las vigas, y soldaduras a tope en empalmes de alas. Las fisuras por fatiga típicamente se inician en el borde de la soldadura y se propagan a través del metal base perpendicular al esfuerzo de tracción principal. La fatiga inducida por distorsión — causada por la flexión fuera del plano de las almas de las vigas debido a la deflexión diferencial entre vigas adyacentes en las conexiones de los marcos transversales — es una preocupación significativa en puentes con apoyos sesgados y almas flexibles. El manual FHWA-NHI-16-016 sobre fatiga y fractura en puentes de acero proporciona orientación integral para identificar, inspeccionar y reparar fisuras por fatiga.

Pérdida de Sección. La pérdida de sección en las vigas de acero resulta de corrosión, abrasión mecánica o daño por impacto. La pérdida de área transversal reduce directamente el módulo de sección (S = I / c, donde I es el momento de inercia y c es la distancia desde el eje neutro hasta la fibra extrema), que gobierna la capacidad de flexión. La pérdida de sección en el ala en tracción es la más crítica porque toda el área del ala contribuye al par de fuerzas de tracción. La pérdida de sección en el ala en compresión puede inducir pandeo local a niveles de esfuerzo reducidos. La pérdida de sección en el alma reduce la capacidad de corte y puede provocar pandeo por corte. La pérdida de sección medida se expresa como un porcentaje de las dimensiones originales del miembro. Las mediciones de espesor ultrasónico en la sección transversal más corroída proporcionan el espesor restante, que se utiliza en los cálculos de calificación de carga según la Sección 6 del MBE de AASHTO.

Daño por Impacto. El daño por impacto ocurre cuando vehículos de altura excesiva golpean el ala inferior de las vigas en ubicaciones de altura libre baja. El impacto puede causar alas dobladas, almas pandeadas, soldaduras fisuradas, desalineación y, en casos severos, fractura de componentes de la viga. El daño por impacto es más común en pasos inferiores de ferrocarril, carreteras con poca altura libre y accesos a puentes donde el asentamiento del pavimento ha reducido la altura libre efectiva. La inspección de vigas impactadas requiere mediciones dimensionales para cuantificar la distorsión del ala, verificación de la planitud del alma para detectar pandeo, y END (tintes penetrantes o partículas magnéticas) de las soldaduras en la zona de impacto para detectar fisuras. El daño por impacto puede requerir restricción inmediata del tráfico pendiente de evaluación.

Deterioros en Vigas de Hormigón

Las vigas de hormigón pretensado desarrollan deterioro a través de mecanismos distintos relacionados con la degradación del material de hormigón, la pérdida de pretensado y la corrosión de la armadura.

Fisuración por Flexión. Las fisuras por flexión en vigas de hormigón pretensado son fisuras verticales o casi verticales que se inician en el ala inferior (tracción) en la región de momento positivo (centro del vano) y se propagan hacia arriba a través del alma. Bajo cargas de servicio, las vigas pretensadas correctamente diseñadas deben permanecer sin fisurar (Clase U según AASHTO) o tener anchos de fisura limitados (Clase C). Los anchos de fisura que exceden 0,010–0,014 pulgadas (0,25–0,35 mm) en ambientes agresivos indican ya sea sobrecarga (carga viva que excede el diseño), pérdida de pretensado (compresión reducida por relajación, fluencia y contracción) o pérdida de sección (descascaramiento que reduce la sección efectiva). Las fisuras por flexión proporcionan vías directas para que los cloruros y la humedad lleguen a los torones de pretensado, iniciando la corrosión. La separación y el ancho de las fisuras deben medirse y documentarse, y la comparación con registros de inspección anteriores identifica la progresión.

Fisuración por Corte. Las fisuras por corte aparecen cerca de los extremos de las vigas donde los esfuerzos cortantes son más altos. Son fisuras diagonales orientadas aproximadamente a 45° del eje longitudinal, típicamente en la región del alma. La fisuración por corte indica que el esfuerzo de tracción principal en el alma excede la resistencia a la tracción del hormigón. En vigas pretensadas, la componente vertical de los torones de pretensado inclinados (torones curvados) contribuye a la resistencia al corte. La fisuración del alma que intersecta la trayectoria de los torones curvados es particularmente preocupante porque puede indicar división del alma por la componente radial de la fuerza de pretensado. Las fisuras diagonales cerca de los apoyos que se extienden hacia el ala inferior en la zona de apoyo pueden reducir la capacidad de transferencia de corte. El MBE de AASHTO proporciona criterios para evaluar la capacidad de corte en vigas pretensadas fisuradas.

Descascaramiento y Delaminación. El descascaramiento es la pérdida del recubrimiento de hormigón sobre el acero de refuerzo o los torones de pretensado. Ocurre cuando la corrosión del acero embebido produce productos de corrosión expansivos que ejercen esfuerzos internos de tracción sobre el hormigón circundante, excediendo la resistencia a la tracción y causando que el hormigón de recubrimiento se desprenda. El descascaramiento en los extremos de las vigas expone los torones de pretensado al ataque ambiental. El descascaramiento inducido por corrosión en las ubicaciones de los torones es una condición crítica porque indica corrosión activa de los torones. La delaminación (separación planar paralela a la superficie) puede preceder al descascaramiento y se detecta mediante arrastre de cadena o sondeo con martillo. El descascaramiento reduce el área transversal disponible para resistir esfuerzos de compresión y tracción y elimina el recubrimiento que protege los torones de una corrosión adicional.

Pérdida de Pretensado y Corrosión de Torones. La pérdida de pretensado en vigas de hormigón pretensado ocurre a través de tres mecanismos: acortamiento elástico (inmediato en la transferencia), fluencia del hormigón (deformación dependiente del tiempo bajo pretensado sostenido), contracción del hormigón (cambio volumétrico dependiente del tiempo) y relajación del acero (reducción del esfuerzo del torón bajo deformación constante). Las pérdidas de pretensado a largo plazo típicamente oscilan entre el 15% y el 25% del pretensado inicial. La corrosión de torones es la condición más peligrosa porque una sola fractura de torón reduce la fuerza de pretensado en la contribución del torón (típicamente 15 a 20 kips por torón para torones de 0,6 pulgadas). La fragilización por hidrógeno es un mecanismo de falla en el acero de pretensado de alta resistencia donde el hidrógeno atómico se difunde en la red del acero, reduciendo la ductilidad y causando fractura frágil a esfuerzos inferiores al límite de fluencia. Los cloruros de las sales descongelantes son la causa principal de la corrosión de torones en vigas de puente. Los hallazgos de inspección de manchas de óxido en las superficies de las vigas, fisuración longitudinal a lo largo de las trayectorias de los torones, o torones corroídos expuestos constituyen hallazgos críticos que requieren evaluación inmediata y posible restricción de carga.

Calificación de la Superestructura según el SNBI de la FHWA

Las Especificaciones para el Inventario Nacional de Puentes (SNBI), publicadas por la FHWA en marzo de 2022 (FHWA-HIF-22-017), establecen los requisitos de reporte de datos para todos los puentes de carretera abiertos al tráfico público en los Estados Unidos. La condición de las vigas se reporta a través de la Calificación de Condición de la Superestructura (elemento de datos B.C.02) y los datos de condición a nivel de elementos.

Calificación de Condición de la Superestructura (B.C.02) utiliza una escala de codificación del 0 al 9. La calificación se basa en componentes, lo que significa que describe la condición de la superestructura en su conjunto, considerando todos los elementos principales. Según la guía de calificación del Apéndice C del SNBI, los códigos de calificación de condición de la superestructura se definen de la siguiente manera:

El SNBI también requiere datos a nivel de elementos (conjunto de datos B.E) para los puentes del Sistema Nacional de Carreteras (NHS). Cada elemento se reporta en cuatro estados de condición: Estado de Condición 1 (EC 1) — Protegido/bueno, Estado de Condición 2 (EC 2) — Deterioro menor/regular, Estado de Condición 3 (EC 3) — Deterioro avanzado/pobre, Estado de Condición 4 (EC 4) — Deterioro severo que requiere acción. Para vigas abiertas de acero (Elemento 110), EC 1 describe sin corrosión ni fatiga; EC 2 describe corrosión superficial o picadura menor; EC 3 describe pérdida de sección de hasta el 10% o fisuras por fatiga de menos de 2 pulgadas; EC 4 describe pérdida de sección que excede el 10% o fisuras por fatiga que exceden las 2 pulgadas.

El conjunto de datos de ejemplo en el Apéndice A del SNBI para el Puente Número 15558X muestra una Calificación de Condición de la Superestructura de 5 (Regular) con una Calificación de Condición de los Apoyos del Puente de 4 (Pobre) y una Calificación de Condición de las Juntas del Puente de 2 (Crítica). Estas calificaciones de componentes juntas proporcionan una imagen integral de la condición de la superestructura, siendo la condición de las vigas el factor principal en la calificación de la superestructura.

Inspección de Vigas

La inspección de vigas de puente sigue los requisitos establecidos en los Estándares Nacionales de Inspección de Puentes (NBIS), el Manual para la Evaluación de Puentes (MBE) de AASHTO y el Manual de Referencia para Inspectores de Puentes (BIRM) de la FHWA. La inspección de vigas se clasifica como inspección rutinaria (a intervalos regulares, típicamente 12 a 24 meses), inspección detallada (práctica, que típicamente requiere equipo de acceso), inspección crítica de fractura (para miembros en tracción cuya falla causaría el colapso del puente) o inspección especial (provocada por daño o deterioro).

Inspección Visual. La inspección visual es el método de inspección principal para todos los tipos de vigas. El inspector examina la longitud completa de cada línea de vigas, documentando todo el deterioro observable. Para vigas de acero, el inspector evalúa la extensión y severidad de la corrosión, las fisuras por fatiga en las conexiones soldadas, la condición de los pernos en los empalmes de campo, la condición del sistema de pintura (grado de corrosión ASTM D610) y el daño por impacto. Para vigas de hormigón, el inspector evalúa el ancho, la longitud y el patrón de las fisuras; las dimensiones y profundidad del descascaramiento; la condición de los torones expuestos; las manchas de óxido; y la eflorescencia. La inspección se documenta en formularios estándar de inspección de puentes (o sistemas electrónicos de recolección de datos) que registran la cantidad de cada elemento en cada estado de condición según las definiciones de elementos del MBEI de AASHTO. Se requiere inspección práctica al alcance de la mano de todos los detalles críticos para los miembros críticos de fractura (FCM). El acceso para la inspección visual puede requerir vehículos de inspección bajo puente (camiones cesta), escaleras, andamios o acceso en barco para cruces de agua.

Ensayos No Destructivos (END). Los métodos de END se aplican cuando la inspección visual identifica condiciones que requieren evaluación adicional. La FHWA y AASHTO especifican métodos de END para vigas de acero y hormigón. Para vigas de acero, los métodos de END principales son ensayos ultrasónicos (UT) para detectar fisuras internas en soldaduras y metal base, ensayos de partículas magnéticas (MT) para detectar fisuras superficiales y subsuperficiales en acero ferromagnético, ensayos de tintes penetrantes (PT) para detectar fisuras que rompen la superficie, medición de espesor ultrasónico para medir el espesor restante del ala y el alma en áreas corroídas, y ensayos radiográficos (RT) para inspección de soldaduras donde el acceso impide el UT. Para vigas de hormigón, los métodos incluyen velocidad de pulso ultrasónico (UPV) para detectar vacíos internos y evaluar la calidad del hormigón, ensayos de impacto-eco para detectar delaminación y vacíos en ductos de tendones, radar de penetración terrestre (GPR) para localizar torones embebidos y detectar intrusión de humedad, y mapeo de potencial de media celda para evaluar la actividad de corrosión del acero embebido. El Programa de Ensayos de Puentes de Acero de la FHWA ha evaluado tecnologías de END para la detección de fisuras por fatiga, estableciendo curvas de probabilidad de detección (POD) para varios métodos.

Inspección con Drones. Los vehículos aéreos no tripulados (UAV o drones) se utilizan cada vez más para la inspección de vigas, particularmente para puentes de gran altura sobre cursos de agua, valles profundos o tráfico donde el acceso con camiones cesta es difícil o peligroso. Los drones equipados con cámaras de alta resolución (20+ megapíxeles), lentes de zoom óptico (30x o más) y sistemas de iluminación pueden capturar imágenes detalladas de las alas inferiores, almas y conexiones de las vigas desde todos los ángulos. Los drones equipados con LiDAR pueden crear modelos de nubes de puntos 3D de la superestructura para mediciones dimensionales y detección de deformaciones. Las cámaras de imágenes térmicas en drones pueden detectar intrusión de humedad, delaminación y corrosión oculta. El SNBI incluye B.IE.12 Equipo de Inspección con el código I3 para “Drone o Vehículo Aéreo No Tripulado (UAV)” utilizado durante la inspección. Los datos de inspección con drones pueden integrarse en la plataforma de gemelo digital de TarmacView para el registro espacial de ubicaciones de deterioro y la detección de cambios a lo largo del tiempo.

Detalles Propensos a Fatiga

La fisuración por fatiga en las vigas de puente de acero se rige por las categorías de diseño de fatiga de AASHTO definidas en el Artículo 6.6.1 de las Especificaciones de Diseño de Puentes LRFD de AASHTO. Las categorías clasifican los detalles soldados y atornillados según datos de ensayos de fatiga, asignando un umbral de fatiga de amplitud constante (CAFL) para cada categoría. Las categorías de mayor a menor resistencia a la fatiga son:

Los miembros críticos de fractura (FCM) son miembros de acero en tracción cuya falla provocaría el colapso del puente. Para puentes de vigas de acero, los FCM típicos incluyen sistemas de dos vigas (cada viga es FCM), arcos atirantados y miembros de celosía en tracción. Los FCM requieren inspección práctica a intervalos especificados en el plan de inspección de FCM del puente. El SNBI reporta si se requiere inspección crítica de fractura a través de B.IR.01 — Inspección de NSTM Requerida (miembro de acero en tracción no redundante).

La fatiga inducida por distorsión en las regiones de espacio del alma de las conexiones de marcos transversales es un problema generalizado en puentes de acero de vigas múltiples. Cuando ocurre deflexión diferencial entre vigas adyacentes, las fuerzas del marco transversal causan flexión fuera del plano del alma de la viga en el pequeño espacio entre la terminación de la soldadura de la placa de conexión y la soldadura del ala. Esta distorsión fuera del plano genera esfuerzos secundarios que pueden causar fisuración por fatiga en el borde de la soldadura. AASHTO ahora requiere que las placas de conexión se suelden directamente a ambas alas (o que se proporcione una conexión positiva) para eliminar la distorsión del espacio del alma. La inspección de puentes existentes debe centrarse en estas soldaduras de placa de conexión a alma en busca de signos de fisuración inducida por distorsión.

Condición de los Apoyos

Los apoyos de puente son la interfaz entre las vigas y las unidades de la subestructura. Cumplen tres funciones: transmitir cargas verticales de la superestructura a la subestructura, permitir la rotación por deflexión de carga muerta y carga viva, y permitir el movimiento horizontal por expansión y contracción térmica. El SNBI reporta la Calificación de Condición de los Apoyos del Puente (B.C.07) utilizando la misma escala de codificación del 0 al 9.

Los tipos de apoyos utilizados con vigas incluyen apoyos elastoméricos (almohadillas de neopreno simple o neopreno laminado con placas de acero), apoyos basculantes (balancines de acero que se inclinan para acomodar el movimiento longitudinal), apoyos de rodillos (rodillos de acero simple o múltiple), apoyos de placa deslizante (PTFE sobre acero inoxidable para baja fricción), apoyos de copa (almohadilla elastomérica confinada en un cilindro de acero), apoyos mecánicos (articulados o fijos) y apoyos multigiro de alta carga.

Los modos de deterioro de los apoyos incluyen corrosión de los componentes metálicos del apoyo (brazos basculantes, rodillos, placas de mampostería, placas de solera), congelamiento (pérdida de capacidad de movimiento debido a corrosión o acumulación de desechos), desalineación (inclinación del balancín que excede los límites de diseño, típicamente 10°), deterioro del elastómero (fisuración, división, extrusión o pérdida de almohadillas de apoyo elastoméricas), falla de pernos de anclaje (pernos de anclaje cortados, corroídos o faltantes), corrosión de la placa de mampostería en la interfaz con el asiento del apoyo, y falla de la conexión de la placa de solera (conexión soldada o atornillada al ala inferior de la viga).

El Manual para la Inspección de Elementos de Puentes de AASHTO rastrea los apoyos como un elemento separado (Elemento 310 — Apoyo Elastomérico, Elemento 311 — Apoyo Móvil, Elemento 312 — Apoyo Cerrado/Oculto, Elemento 313 — Apoyo Fijo, Elemento 314 — Apoyo de Copa). La condición de los apoyos afecta directamente la transferencia de carga de las vigas. Un apoyo de expansión congelado induce fuerzas térmicas en las vigas que no fueron consideradas en el diseño. Un apoyo fallado en un soporte crea un espacio entre la viga y el asiento del apoyo, redistribuyendo las reacciones a los soportes adyacentes. El BIRM proporciona listas de verificación de inspección detalladas para cada tipo de apoyo.

Implicaciones del Deterioro de las Vigas en la Calificación de Carga

El deterioro de las vigas reduce directamente la calificación de carga del puente — la relación entre la capacidad estructural y las cargas aplicadas. El factor de calificación de carga (RF) se calcula según la Sección 6 del MBE de AASHTO como:

RF = (C - A1 × D) / (A2 × L × (1 + I))

Donde C es la capacidad, A1 es el factor de carga muerta, D es el efecto de carga muerta, A2 es el factor de carga viva, L es el efecto de carga viva e I es el factor de impacto. El deterioro reduce el término de capacidad C, lo que reduce el RF.

Para vigas de acero, la capacidad de flexión es M_n = F_y × S_x (en fluencia) o M_n = M_p (momento plástico, limitado por pandeo lateral-torsional). La pérdida de sección reduce el módulo de sección elástico (S_x) y el módulo de sección plástico (Z_x). La capacidad restante se calcula utilizando las propiedades de sección medidas en la sección transversal más deteriorada. Por ejemplo, una reducción del 15% en el área del ala inferior debido a la corrosión reduce el módulo de sección en aproximadamente un 10–15%, lo que reduce el RF en una cantidad proporcional. La capacidad de corte de la viga V_n = 0,58 × F_y × D × t_w × C (donde C considera el pandeo del alma). La pérdida de sección del alma reduce directamente el espesor del alma, reduciendo la capacidad de corte proporcionalmente.

Para vigas de hormigón pretensado, la capacidad de flexión en el estado límite de servicio está gobernada por los esfuerzos de tracción permisibles. La pérdida de pretensado aumenta el esfuerzo de tracción neto bajo carga viva, y si el esfuerzo de tracción excede el límite permitido (típicamente 0,0948√f’c para miembros Clase C), se produce fisuración. En el estado límite de resistencia, la corrosión de los torones que reduce el área de los torones reduce la capacidad última de momento. La pérdida de un torón en una viga que contiene 40 torones reduce la capacidad en aproximadamente un 2,5%. Sin embargo, la pérdida de múltiples torones o torones en la misma fila puede reducir la capacidad de manera más significativa debido a la pérdida de distribución de la fuerza de pretensado.

La Sección 5 del SNBI requiere el reporte del Factor de Calificación de Carga de Inventario (B.LR.05), el Factor de Calificación de Carga de Operación (B.LR.06) y el Factor de Calificación de Carga Legal Controlante (B.LR.07). Cuando la Calificación de Operación cae por debajo de 1,0, el puente debe ser señalizado con restricciones de carga según la configuración de carga legal del estado (B.EP.01). El conjunto de datos de ejemplo del SNBI para el Puente 15558X muestra un Factor de Calificación de Carga de Inventario de 0,30 y un Factor de Calificación de Carga de Operación de 0,50 con valores de restricción que van de 15 a 30 toneladas según la configuración de carga legal.

La Sección 6 del MBE de AASHTO proporciona procedimientos específicos para la calificación de carga de vigas deterioradas. Para vigas de acero, un levantamiento de espesor restante utilizando mediciones de espesor ultrasónicas a intervalos de 5 pies a lo largo de toda la longitud de la viga establece la sección restante mínima. Para vigas de hormigón, un levantamiento detallado de fisuras que documenta el ancho, la longitud, la separación y la ubicación de las fisuras, combinado con un levantamiento de torones en áreas descascaradas, establece la pérdida efectiva de pretensado. El ingeniero de calificación de carga utiliza estos datos de campo para calcular una calificación de carga deteriorada, que puede resultar en la restricción de peso o en la necesidad de reforzar o reemplazar el puente.

Resumen

Las vigas de puente son los elementos portantes principales de la superestructura, disponibles en múltiples configuraciones — vigas I de acero, vigas armadas soldadas, vigas I de hormigón pretensado (secciones AASHTO y bulbo-tee), vigas cajón de acero y vigas artesa de acero. Cada tipo tiene modos de deterioro característicos: las vigas de acero sufren corrosión (particularmente en ubicaciones de apoyo y juntas de plataforma), fisuración por fatiga (en detalles soldados regidos por las categorías A a E’ de AASHTO), pérdida de sección y daño por impacto; las vigas de hormigón desarrollan fisuración por flexión y corte, descascaramiento por corrosión de torones y pérdida de pretensado por efectos de materiales a largo plazo. El SNBI evalúa la condición de las vigas a través de la Calificación de Condición de la Superestructura (B.C.02) en una escala del 0 al 9 y a través de cantidades de estado de condición a nivel de elementos. Los métodos de inspección incluyen inspección visual (el método principal), END (UT, MT, PT, UPV, impacto-eco) e inspección con drones para puentes de gran altura. El deterioro de las vigas reduce directamente los valores de calificación de carga a través de la pérdida de sección y la pérdida de pretensado, lo que puede requerir la restricción de carga para garantizar la seguridad del puente. Comprender los tipos de vigas, los mecanismos de deterioro y los requisitos de inspección es esencial para los propietarios, inspectores e ingenieros de puentes responsables de mantener la seguridad y la capacidad de servicio del inventario de puentes de carretera.