Una aplicación de la teoría de fatiga que ha adquirido relevancia en la actualidad corresponde a la evaluación de estructuras existentes con gran cantidad de años de servicio y que se encuentran sometidas a cargas cíclicas. Por ejemplo, los puentes de acero construidos hasta aproximadamente la mitad del siglo XX, constituyen parte de este grupo. Aquellas estructuras pueden estar cercanas a presentar fallas por fatiga, por lo que la evaluación de su nivel de daño es urgente.
Este es un tema habitual en países con un nivel de infraestructura desarrollado, en los que se ha convertido una necesidad para tomar decisiones en cuanto a la administración de la infraestructura civil. Por otro lado, se presentan grandes dificultades durante la evaluación del desempeño de este tipo de infraestructura, ya que en algunos casos los materiales utilizados durante la construcción de la estructura no son usados en la actualidad y no son comúnmente conocidos. Adicionalmente, en la mayoría de los casos no hay mucha información sobre la historia de carga o incluso la documentación (planos, detallamiento, etc.) de la estructura no está disponible.
Debido a lo señalado, se han elaborado artículos [27] e informes [4] con metodologías y recomendaciones sobre cómo desarrollar dichas evaluaciones. De acuerdo a estos documentos, una evaluación a la fatiga se puede separar en cuatro fases:
• Evaluación preliminar
• Investigación detallada • Investigación de expertos
• Medidas de solución
Por otro lado, también es posible encontrar en la literatura distintos casos en los que se han aplicado dichas metodologías [28–30].
2.6.1
Evaluación preliminar
Consiste en remover dudas acerca de la seguridad de la estructura utilizando métodos de cálculo relativamente simples e identificar zonas críticas en la estructura. En esta etapa se asume el puente como una estructura nueva, por lo que se utilizan los métodos de cálculo indicados en los códigos de diseño. En esta etapa se sugiere hacer suposiciones conservadoras en caso de faltar información. También es necesaria una minuciosa identificación de los componentes estructurales ubicados en el puente, debido a que generalmente los métodos utilizados en las normas de diseño se basan en la clasificación y utilización de curvas S-N, que están asociadas a la categoría del componente estructural en consideración. Debido a esto, una correcta clasificación de los componentes críticos de
21 la estructura es muy importante. Para esto se utiliza información de los planos, memorias de cálculo y realizando inspecciones visuales en terreno.
2.6.2
Investigación detallada
El objetivo es utilizar métodos más refinados para aquellos elementos estructurales en que el nivel de seguridad no ha sido garantizada en la fase anterior. Para esto, normalmente se realizan cálculos de acumulación de daño, utilizando valores actualizados de cargas, modelos estructurales más refinados, propiedades del material más precisas, entre otros.
Para actualizar los valores de las cargas (parámetro de mayor incerteza) se pueden efectuar mediciones en terreno, registrando el tipo de vehículo que circula por la estructura durante un período de tiempo. De este modo se obtienen cargas más confiables y menos conservadoras que las de los códigos de diseño. Sin embargo, es necesario considerar que las mediciones tienen que ser extrapoladas en el tiempo.
Los modelos estructurales son una parte importante de la evaluación de la estructura. Pese a esto, comúnmente son más conservadores de lo necesario. Dependiendo de la geometría de la estructura y la naturaleza de las cargas, se pueden presentar esfuerzos secundarios y otros efectos que son difíciles de cuantificar. Por esto es que se recomienda refinar los modelos y elaborarlos en base a los planos, considerando la geometría real de la estructura. Este proceso de discretización del dominio del sistema estructural puede llevarse a cabo utilizando elementos finitos tipo “shell” y realizando validaciones
del modelo basado en mediciones de la respuesta real de la estructura. Grandes avances se están desarrollando en cuanto a la utilización de nuevas tecnologías que facilitan la obtención de datos en terreno, como son la utilización de artefactos remotos con una elevado nivel de precisión [31, 32]. Las curvas S-N corresponden a una categoría particular del componente estructural, y generalmente son valores conservadores. En caso de no encontrar el componente correspondiente en los listados que contienen los códigos, o no conocer las propiedades mecánicas del material, se puede buscar información acerca de casos similares en la literatura o realizar ensayos del material a partir de ejemplares extraídos de la estructura.
2.6.3
Panel de expertos
Si tras la fase anterior aún no se ha podido garantizar un nivel de seguridad estructural, y una falla tenga grandes consecuencias en términos de riesgos vitales o costos, un equipo de expertos puede proponer llevar a cabo evaluaciones a través de métodos probabilísticos, mecánica de fracturas, entre otros.
22 2.6.3.1 Mecánica de fracturas
El estudio y predicción del comportamiento de las grietas [33, 34] puede ser muy apropiado para determinar la vida útil remanente de una estructura, especialmente cuando estas han sido detectadas. Pese a esto, dicho método omite la fase de iniciación de la grieta, concentrándose simplemente en la fase de propagación de la misma. De este modo, se obtiene una estimación conservadora de la vida de fatiga del elemento analizado.
2.6.3.2 Métodos probabilísticos
La variación de algunos de los parámetros requeridos para los cálculos basados en el sistema de clasificación puede tener un gran efecto en el nivel de daño calculado. Por otro lado, dichos parámetros presentan un nivel de incertidumbre (por ejemplo, la categoría asignada a los componentes estructurales o las propiedades mecánicas de los materiales) que puede ser considerado a través de estos métodos, determinando como resultado las probabilidades de falla del componente analizado [35].
2.6.4
Medidas de solución
En caso de que ninguna de las fases previas justifique mantener la estructura en funcionamiento en su condición actual, es necesario proponer medidas para que la estructura pueda seguir funcionando con un nivel suficiente de seguridad (ver secciones 2.7.1.3 y 2.7.2). Entre las posibilidades se puede señalar: reparación de la estructura, instalación de refuerzos, reducir el volumen de tráfico, entre otras. De otra forma, es inminente la demolición de la obra de infraestructura, debiendo asumir las consecuencias económicas y sociales en busca de resguardar la seguridad del tránsito.