Reparación y Conservación de los Puentes del Pedraplén Caibarién – Cayo Santa María, Cuba

Resumen

Al norte de la provincia de Villa Clara, Cuba, con el
objetivo de enlazar la isla con los cayos de nuestra plataforma,
se construyó entre 1988 y 1998, un pedraplén de
48.0 km de longitud, contando con 44 puentes en toda su
extensión, 2 de los cuales son puentes inducidos en el
Canal de Las Varas y el de La Sortija. Los mismos garantizan el
intercambio de agua, para evitar la salinización de la
costa y la migración de los peces.

La alta agresividad del medio marino, constituyó
una preocupación constante de inversionistas, proyectistas
y constructores. Transcurridos 10 años de terminados los
primeros puentes, comienzan a aflorar deterioros en sus elementos
estructurales, generados por la corrosión de sus
armaduras, al estar expuestas a la acción de los iones
cloruros en un medio de elevada concentración; estas
causales constituyen unas de las patologías que destruye
de forma acelerada los elementos estructurales de estas
obras.

A partir de los años 2001 y 2003, se comienzan a
realizar una serie de estudios de diagnósticos, partiendo
de una revisión organoléptica de las condiciones en
que se encontraban estos puentes

Al observar que el deterioro se acentúa, los
especialistas de la Empresa de Proyectos de Villa Clara han
emitido los informes correspondientes a la Unidad Inversionista,
alertando el avanzado deterioro de estos puentes. Esto
obligó a la parte inversionista a cerrar algunos puentes
construyéndose desvíos para los mismos y facilitar
los trabajos de reparación a las brigadas
constructoras.

Introducción

La ejecución del Pedraplén
Caibarién Cayo Santa María tuvo su inicio a finales
del año 1989, el cual tiene una longitud total de 48.00
km, es una obra vial construida dentro de la Bahía de
Buena Vista con el objetivo de enlazar la isla con los cayos de
nuestra plataforma, en él se construyeron 44 puentes con
una longitud total de 2235 metros, con 2 puentes inducidos en las
zonas del Canal de Las Varas y el de La Sortija, estos puentes
garantizarían el intercambio de agua para evitar la
salinización de la zona costera y garantizar la
migración de los peces.

En los citados puentes se emplearon dos tipos de
superestructura, una formada por vigas y losa con vigas
postensadas de 20.00 y 25.00 m con lositas prefabricadas y losa
hormigonada "in situ", se construyeron 19 puentes de este tipo
con una longitud total de 1785.00 m y otra compuesta por losas
planas prefabricadas de 6.00 m de luz y 25 puentes construidos
con una longitud de 450.00 m.

El primer puente, o Paso Superior en la Carretera
Caibarién-Yaguajay se comenzó a ejecutar en el
año 1990, y el último, el del "Canal de La Guasa"
se terminó en 1998.

La subestructura para ambas soluciones fue similar con
predominio de las cimentaciones indirectas, donde se
emplearon:

• Pilotes hormigonados "in situ" del tipo pocero, con
  diámetros de 0.50 m y 0.60 m.

• Pilotes prefabricados de hormigón armado de
  0.45 x 0.45 m de sección y longitudes de 10.00 a 15.00
  m.

• Pilotes Benoto de 1.00 y 1.20 m de
  diámetro.

• Pilotes metálicos del tipo cajón
  Larssen V, empleados solamente en el puente sobre el "Canal
  de los Barcos".

Los cabezales en su mayoría fueron hormigonados
en obra, a excepción de los puentes sobre el "Canal de Los
Barcos", "La Guasa" y "Canal Ancha" que fueron
prefabricados.

En el año 2001, se realiza por parte de
especialistas de la EMPROY VC, una visita a todos estos puentes.
De la inspección visual se concluyó que existe un
grupo significativo de obras dañadas por la
corrosión, afectando elementos principales como son, las
vigas, columnas, cabezales y pilotes en los puentes de viga y
losa, con mayor incidencia en los puentes de rasante baja, tales
como los puentes Nro. 2, 3, 4, 5, 6, 8, 16 y 17 en los que se
conjugan con mayor intensidad los factores desencadenantes de la
corrosión.

Los puentes de losa se encuentran en mejores condiciones
que los de viga y losa y sus reparaciones serán en
áreas muy localizadas de los mismos.

Los cabezales y los pilotes prefabricados de
hormigón han sido afectados en la parte coincidente con el
cambio de mareas, y dado el grado de dificultad de estos
elementos, el problema debe ser evaluado caso a caso, teniendo en
cuenta factores tales como, su disposición, grado de
corrosión y avance del deterioro con el transcurso del
tiempo.

Las causas de dicho deterioro de los puentes e
incidiendo con mayor afectación a los de viga – losa
se deben a los siguientes señalamientos:

• Puentes con rasante baja, menor de 3.40 m, lo que
  propicia que sus elementos componentes estén en
  constante mojado y secado por el spray del mar.

• Construcción de taludes de derrames no
  conformados (hechos a volteo) de forma tal que las piedras
  propician el rompimiento de las olas sobre estas e
  incrementan el mojado en las luces extremas donde se
  localizan los daños más severos.

• Empleo de hormigones deficientes para este medio con
  alta porosidad, resultando pocos impermeables, deficiente
  recubrimiento del refuerzo estructural, mala ejecución
  de las juntas de unión entre losas, factores que
  propiciaron una rápida penetración de los iones
  cloruros desencadenando la corrosión y
  destrucción acelerada de dichos elementos.

• Falta de mantenimientos sistemáticos de estas
  obras desde que se ejecutaron factor que de haberse realizado
  hubiese prolongado la vida útil de los mismos.
  Más de 10 años construidos y de
  explotación sin recibir ningún tipo de
  mantenimiento.

• No se realizó su pavimentación en
  tiempo, coincidiendo con el período de mayor
  explotación pesquera.

• No se utilizaron aditivos en los hormigones, ni se
  le aplicó ningún tipo de impermeabilizante, ya
  que dichas obras se ejecutaron en un período con
  muchas limitaciones de recursos técnicos y se
  condicionaron los proyectos a los recursos existentes por
  citar uno de ellos, no se pudo ejecutar dichas losas
  pretensadas que son más eficientes y se adecuan
  más al medio marino.

Luego del análisis de las causales que han
provocado el deterioro a los puentes se realizo una
inspeccióna los puentes de rasante baja antes
señalados, se determinó realizar un estudio
diagnóstico.

A partir de los años 2001 y 2003, se realizan una
serie de estudios de diagnóstico, a partir de una
revisión organoléptica de las condiciones en que se
encontraban afectados estos puentes.

Transcurridos unos años el Centro Provincial de
Vialidad solicitó la actualización de estudios de
diagnósticos más avanzados para lo cual
contrató los servicios de un grupo especializado (Centro
Técnico para el Desarrollo de los Materiales de
Construcción) del MICONS. Este grupo entregó su
informe a finales del mes de Julio/2003 y en el mismo, como
resulta lógico, se reflejaron diferencias en cuanto al
estado físico de las partes de los puentes en
relación con el estado de dos años
antes.

Se evaluaron algunas luces de estos puentes, de
ahí se decide acometer los proyectos de reparación
de algunas luces de estos puentes en dependencia del grado de
deterioro considerado.

Los resultados de estos estudios, nos permitieron
evaluar el estado técnico de algunos de estos puentes y a
partir de ahí acometer los proyectos de
reparación.

TABLA SÍNTESIS DE ESTUDIOS DE
DIAGNÓSTICO DE ALGUNOS PUENTES

Los valores fronteras que determinan el comportamiento
de los elementos han sido tomados de acuerdo a las mejores
experiencias internacionales y estos son:

Para la absorción

• valores menores de un 6% son indicativos de
  hormigones homogéneos de buena calidad.

• valores mayores de un 6% indican hormigones de baja
  calidad.

Para la porosidad

• valores menores de un 10% corresponden a hormigones
  compactos de buena calidad.

• valores entre un 10% y un 15% indican hormigones
  permeables y no recomendados para medios marinos.

• valores mayores al 15% indican hormigones muy
  permeables e inadecuados para proteger las
  armaduras.

Para el PH

• valores de PH iguales o mayores de 12 indican buena
  basicidad para proteger los aceros excepto del ión
  cloruro.

Para los potenciales estacionarios de
corrosión:

• valores más positivos que -200 mV indican un
  90% de probabilidades de que no esté ocurriendo
  corrosión en el punto estudiado.

• valores entre -200 y -350 mV indican incierta
  actividad de corrosión en el punto
  estudiado.

• valores más negativos que -350 mV indican un
  90% de probabilidades de ocurrencia de corrosión en el
  punto estudiado.

Los autores del estudio concluyeron:

• Todo el refuerzo de la parte fundida ¨in
  situ¨ de la losa en las luces primera y segundase
  encontraban en corrosión activa y en un 70% de la
  tercera se encontraban en corrosión activa, el 30%
  restante de esta última se encontraba en un estado de
  transición (valores entre -200 y -300 mV).

• Las losas prefabricadas de la losa tablero en todo
  el puente presentaban un mejor estado con pocas lecturas que
  indicasen corrosión activa o en transición
  (aceros embebidos en el hormigón
  prefabricado).

• En los seis metros iníciales de todas las
  vigas de la primera luz y en los dos metros finales de
  algunas de ellas existía corrosión activa o en
  transición.

• Los refuerzos de las vigas de la luz segunda se
  encontraban pasivados y solo puntualmente se encontraron
  indicios de corrosión en transición.

• En los tres últimos metros (más cerca
  del estribo hacia Santa María) de las vigas 1 y 9 de
  la tercera luz se encontró corrosión activa y
  en los mismos metros de las vigas 3 y 6 se encontró
  evidencia de corrosión en
  transición.

• El refuerzo estudiado en todos los cabezales
  (refuerzo exterior) se presentó despasivado con fuerte
  evidencia de corrosión activa.

Las reparaciones no se realizaron en el año 2003
ni el 2008 mientras que el deterioro de la obra continuó,
llegando a detectarse un grupo significativo de vigas con cables
pos tensados partidos.

Al observar que el deterioro se acentúa, los
especialistas de la Empresa de Proyectos de Villa Clara emiten
los informes correspondientes a la Unidad Inversionista alertando
del avanzado deterioro de estos puentes.

Lo que obligó a la parte inversionista a cerrar
algunos puentes construyéndose desvíos para los
mismos.

En el año 2008 ante el deterioro de la obra,
observado de forma visual, la Dirección Técnica de
Vialidad emitió la Solicitud 4151/08 a la Empresa Nacional
de Investigaciones Aplicadas, Unidad de Investigaciones para la
Construcción Villa Clara, en la que se solicitaba realizar
otros estudios de diagnóstico a varios puentes del
Pedraplén Caibarién – Cayo Santa
María.

Este centro realizó el estudio necesario,
mediante el uso de la Esclerometría, Ultrasonido y el
Corrosímetro, principalmente a vigas, cabezales y
pilotes.

A mediados del año 2009 se acometieron algunos
proyectos de reparación a los puentes más
dañados en aquel entonces como por ejemplo el puente
Nº 3, 4, 5 y otros, tomando como ejemplo, algunos de los
puentes, a los cuales se les realizó la
intervención de reparación, a partir de los
estudios de diagnósticos más avanzados.

El proyecto de rehabilitación solo consideraba
sustituir la losa del tablero, algunas vigas y proteger con
productos de restauración de última
generación los elementos de las vigas y losas, menos
dañados.

Se pudo comprobar al trascurso del tiempo de reparadas
las vigas a estos puentes, que se habían gestado las
grietas típicas de corrosión, es decir, el
tratamiento a estos elementos tan dañados no fue efectivo,
además ya el ión cloruro permanecía en estos
elementos reparados. Esto se corrobora en las fotos.

Ante tal situación y con las posibilidades
actuales dada la entrada de la tecnología y los recursos
para producir vigas se solicitó por la Dirección de
Vialidad de Villa Clara como inversionista, realizar un nuevo
proyecto de rehabilitación que tenga como principio
básico completar la reparación de las vigas y el
resto de los elementos como pilotes y taludes que no fueron
tratados.

Por lo que se realizó una valoración
económica, analizando que era más factible, reparar
la superestructura de los puentes con los productos actuales
teniendo encuenta los resultados de los estudios
diagnósticos más profundos o sustituir todos los
elementos de las superestructura completa por elementos con
nuevos diseños y con la aplicación de las normas
actuales, y así aprovechar y reparar los elementos de las
subestructura, y conformar los taludes de derrames.

A continuación exponemos los valores de estas
variantes para una luz de 20.00 m.

La variante de vigas armadas de sección
rectangular es la más económica, pero desde el
punto de vista técnico consideramos las vigas postensadas
como la solución más adecuada.

También hay que evaluar que la
rehabilitación, si funciona correctamente tomando como
referencia la garantía de los productos que suministran
los fabricantes, alcanza los 10 años cuando son
correctamente aplicados. Esta garantía, para este medio,
nos hace suponer que se reduce. Sin embargo, nuevos elementos de
hormigón pos tensado o armado cumpliendo las nuevas
especificaciones de la NC 250: 2005, supone una vida útil
que debe sobrepasar varias veces esos plazos.

En lo referente al proyecto tenemos dos secciones
transversales una correspondiente al proyecto original y otra
para la nueva solución del tablero las que mostraremos a
continuación.

La sección transversal original que conforman
estos puentes esta formada por 11 vigas de sección
rectangular de 20.00 m postensadas, espaciadas a 1.20 m de sus
ejes, unidas a través de las lositas prefabricadas y como
completamiento la losa hormigonada "in situ", para el desarrollo
de los estudios diagnósticos, estas vigas fueron
enumeradas de izquierda a derecha, en sentido hacia el Cayo Santa
María. A esta solución se le adosó en el
extremo derecho la conductora de agua de abasto a los hoteles de
la cayería norte.

La nueva concepción del proyecto de
reparación donde se plantea sustituir toda la
superestructura por nuevos elementos, se ha utilizado para el
mismo, las vigas de 20.00 m pos tensadas de sección T,
conformando un tablero de 9 vigas espaciadas a 1.37 m que incluye
sendos voladizos ha ambos extremos. Además se independiza
la conductora de agua, del puente, donde esta se apoya sobre
vigas de hormigón armado diseñadas para esta
función.

Para acometer la reparación de los elementos
inferiores de la superestructura y la subestructura fue
necesario, crear la falsa obra adecuada para cada trabajo, que
garantizara la seguridad al personal que acometería este
trabajo, así como el no vertimiento de estos productos
contaminante hacia el mar para conservar el medio ambiente.
Además para facilitar el montaje y desmontaje de esta
falsa obra, para ser trasladada, a las luces contiguas y con esto
lograr una secuencia de trabajo.

Se ha previsto que todos los elementos que fueran
desmolidos o extraídos deberán ser colocados en los
extremos de los puentes en lugares de fácil acceso, que no
obstruyeran el desarrollo de dicha actividad y que sean
trasladados de forma inmediata hacia tierra firme.

Para el resto de los elementos de la subestructura que
se plantean reparar, el método a seguir es el mismo ya
definido en anteriores obras de este pedraplén, o
sea:

• Remoción de todo el hormigón
  deteriorado descubriendo el acero hasta que éste quede
  libre en alrededor de 2.5 cm por todo su
  perímetro.

• En aquellos casos que pueden ocurrir, donde el acero
  tiene perdida de más del 20% de su área
  útil, se exige su sustitución en dicha
  área, realizándose por empalmes de no menos 40
  veces el diámetro a empalmar. En algunos casos como
  los cercos, los empalmes pueden ser menores (15
  diámetros).

• Limpieza del acero con chorros de arena a
  presión (Sand-blasting) e hidrolavado a presión
  de la zona removida. Inmediatamente después de secado
  el acero, se le aplica un compuesto protector contra la
  corrosión que contenga inhibidores de la misma y que
  sea compatible con los demás productos que se
  emplearán.

• Aplicación de un puente de adherencia, que
  facilite la unión entre hormigón o mortero
  viejo con el nuevo. Algunos productos no requieren de este
  puente pues en su fabricación ya incorporan los
  elementos necesarios para conseguirlo.

• Restauración de la sección mediante el
  empleo de morteros base, cemento con aditivos fluidificantes
  y agentes de control de la retracción u
  hormigón correctamente dosificado, como es el caso de
  la reparación de los pilotes.

• Para el caso de superficies verticales que sea
  necesario restaurar, se empleará un mortero
  tixotrópico el cual se aplicará como si fuera
  un repello grueso, compactándose con la cuchara o con
  la propia mano.

• Curado de la superficie tratada para lo cual debe
  emplearse alguna sustancia que forme una película
  antievaporante.

• Aplicación de un producto impermeabilizante
  de larga duración y que puede ser, o una
  pequeña película de un mortero con aditivos y
  fibras no metálicas para ser aplicado a la manera de
  un estucado, o también esmaltes apropiados.

• Pinturas de protección y acabado.

• Para los pilotes, en el proyecto se describen los
  trabajos a realizar, estos elementos requieren de una mayor
  atención debido a que se trabaja en zona bajo el nivel
  del mar, y susceptible a que se humedezcan.

Detalle del proyecto de reparación
de pilotes

Imágenes donde se observan los pilotes
dañados y aledaños a este, los reparados con la
falda obra utilizada para la reparación.

• Para los nuevos elementos como vigas postensadas que
  requieren obtener resistencias altas de tres o cuatro
  días, se emplearán superfluidificantes
  acrílicos modificados, u otro producto que sea
  certificado por laboratorio, en los otros hormigones
  también deben usarse aditivos superfluidificantes
  acorde a su uso.

• Para tensar las vigas es requisito que el
  hormigón alcance el 90 % de su resistencia de
  diseño.

• Todas las vigas tanto postensadas como armadas,
  deben medirse su deflexión (Contra Flecha) una vez
  tensadas, a los 7 y 14 días, estos parámetros
  servirán para corregir posible espesor de la losa
  fundida in situ y tensión dada al elemento si es pos
  tensado.

Otro aspecto que se modifica son los taludes de los
estribos, aspecto que consideramos de suma importancia pues es
uno de los actuales daños que han ocurrido en los
elementos principales como las vigas, el proceso de
reparación se torna muy complejo pero hay que lograr tal
objetivo de lo contrario no se resolverá la
afectación aunque se produzcan buenos hormigones y cumplan
los requisitos de la NC 250: 2005.

Se plantea emplear compresor y martillo y fracturar las
grandes piedras colocadas en los taludes, retirar los
volúmenes en exceso de estos que prolongan los
daños hacia la zona central de las vigas o en su defecto
propician la socavación de los taludes hasta alcanzar la
zona posterior de los cabezales ( aproches ), Las piedras no
deben superar los 0.50 m de diámetro y colocadas de forma
manual, realizando un enrajonado uniforme por todo el
perímetro, una vez logrado este trabajo esas piedras deben
sellarse con hormigón, formándose así un
hormigón ciclópeo que selle las posibles oquedades
y salida de los materiales finos componentes de los taludes. Para
la zona posterior del cabezal si existe socavación se
rellenará con piedras y hormigón bombeado que cubra
todas las oquedades que se han producido por la socavación
que ocasionan las olas, este hormigón se puede colocar por
la parte inferior del cabezal o por la parte superior de la
vía cuando se extraigan las vigas como en la primera
luz.

También el proyecto contempla el empleo de un
elemento de hormigón masivo hormigonado "in situ" (rompe
olas) ubicado al nivel inferior del cabezal, el cual prolonga
hacia conos hasta la parte posterior de las defensas, para evitar
las salpicaduras del mar sobre los elementos de hormigón,
dicho elemento se ha ubicado muy próximo a los cabezales
de estribos para eludir que las salpicaduras de las olas afecten
zonas más cercanas al centro de las vigas donde se
concentran la totalidad de los cables en la parte inferior de
este elemento.

Sección transversal del detalle para la
construcción del rompe olas y confección del
talud.

Conclusiones

• 1. Todas las deficiencias señaladas y
  detectadas a través de los estudios de
  diagnósticos llevó a que se hicieran nuevos
  proyectos de reparación teniendo en cuenta las normas
  vigentes tales como:

• NC 250:2005.Requisitos de Durabilidad para el
  Diseño y Construcción de Edificaciones y Obras
  Civiles de Hormigón Estructural.

• NC 733:2009. Carreteras, Puentes y Alcantarillas.
  Requisitos Diseño y método de
  Cálculo.

• NC 355:2004. Inspección y Conservación
  de puentes. Código de buenas practicas.

• NC 207:2003. Requisitos Generales para el
  Diseño y Construcción de Estructura de
  Hormigón.

• NC 120:2007. Hormigón Hidráulico.
  Especificaciones.

Unido a éstos la utilización de productos
restauradores y de protección a toda la superficie de los
elementos para alargar su vida útil, estas estructuras se
encuentran en un medio de alta corrosión.

• 2. Se corrobora con este trabajo que los
  puentes de rasante baja sufren mayor deterioro que los
  puentes ubicados con rasante alta, producto de la
  fructuación de marea, la penetración del
  ión cloruro es con mayor incidencia.

• 3. Los taludes de derrame de los estribos deben
  estar conformados adecuadamente para evitar la salpicadura
  producto del impacto de las olas, protegiendo los elementos
  estructurales como por ejemplo las vigas que son las
  más dañadas.

• 4. Se determinó crear una
  protección exterior a los elementos de la
  subestructura como por ejemplo, los pilotes que son los que
  están más expuestos al intercambio de la
  marea.

• 5. Como solución de tableros, se deben
  utilizar las nuevas vigas postensadas de sección T,
  donde se logra un mejor trabajo de la losa del
  tablero.

• 6. Otro factor incidente en el deterioro de los
  puentes son las juntas. En el nuevo diseño se ha
  concebido que se coloquen las juntas, más espaciadas
  teniendo en cuenta la longitud de los puentes, para los
  puentes de longitudes pequeñas se propones eliminar
  las juntas en las pilas.

• 7. Mantener un chequeo sistemático a
  todos los puentes y evaluar si se cumple la
  conservación de los mismos.

Bibliografía

AASHTO (2005). LRFD Bridge Design
Specifications, 3rd ed. With 2005 interim modifications, American
Association of State Highway and Transportation Officials,
Washington, DC.

AASHTO. 1998. LRFD Bridge Design
Specifications. American Association

ACI. 2004. Report on Bridge Decks Free of
Steel Reinforcement. ACI-ITG-3-04. Michigan, USA.

Beal, B.D. 1982. Load capacity of concrete
bridge decks. ASCE Journal of the Structural Division. Vol.
108(ST4): 814-832.

Bridge Aesthetics around the World. TRB,
National Research Council, Washington, D.C., 1991.

Bridge Deck Drainage Guidelines.
AASHTO/FHWA Research Report RD-87-014. Washington, D.C.,
1987.

Bridge Engineering Handbook,
2000.

Cancio Sánchez, Tedy.
"Investigación, Diagnóstico y Reparación de
los Puentes del Pedraplén Caibarién-Cayo Sta
María". Ecoing 26. 2008

Conditions. Vancouver, BC, Canada. Vol. 1:
982-991.

Gustavo Taylor y Ernesto Valdés,
Puentes, Tomo 2, 1987.

Kuang, J.S. and Morley, C.T. 1992. Punching
shear behaviour of restrained

Luis R. G. Arestuche, Experiencias y
Métodos para la Conservación de Puentes de
Carretera en la República de Cuba, 1998.

Matsui, S., Tokai, D., Higashiyama, H. and
Mizukoshi, M. 2001. Fatigue

NC 120:2004 Hormigón
hidráulico. Especificaciones.

NC 207:2003 Requisitos generales para el
diseño y Construcción de estructuras de
hormigón

NC 355:2004 Inspección y
Conservación de puentes.

NC 733:2009 Carreteras. Puentes y
alcantarillas. Requisitos de diseño y método de
cálculo.

Okada, K., Okamura, M. and Sononoda, K.
1978. Failure mechanism of

Proceedings, Third International Conference
on Concrete under Severe

reinforced concrete bridge deck slabs.
Transportation Research Record

reinforced concrete slabs. ACI Structural
Journal. Vol. 89(1): 13-19.

Richard M. Barker and Joy A. Puckett. 2007.
Design of Highway Bridges. An LFRD Approach, Second
Edition.

Wegner, L. D., and Mufti, A. A. 1994.
Finite element investigation of fibrereinforced concrete deck
slabs without internal steel reinforcement.

Youn, S.-G., Chang, S.-P. 1998. Behavior of
composite bridge decks subjected to static and fatigue loading.
ACI Structural Journal. Vol. 95(3): 249-258

Autor:

Ing. Yanexi Reguera
Arboláez

Ing. Orestes Espinosa
Castillo