Structural Evaluating of Pier 24 of Maracaibo Bridge Subject to Ship Collision

8/18/2019 Structural Evaluating of Pier 24 of Maracaibo Bridge Subject to Ship Collision

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STRUCTURAL EVALUATING OF PIER 24 OF MARACAIBOBRIDGE SUBJECT TO SHIP COLLISION

Antonio Sarcos Portio ! Hi"r#n Garc$a L!%

Departamento de Estructuras, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia, Apartado

10483 Ipostel !ella "ista#$ %aracai&o 400'(A, "ene)uela$

*el$ 0'+1('1'11 - 0'+1(./8880 - 014(3+'83'4$ E(mail asarcoslu)$ve

ABSTRACT

2n ovem&er 3, 1///, a sip, ,000 ton 5eigt, collided 6ier '4 o7 %aracai&o

!ridge$ *e ollision produced te spalling o7 concrete o7 te &ent and destro9ed si:

meters o7 te &rea;5ater$ *e main purpose o7 tis paper is to esta&lis an anal9sis

metodolog9 in order to reproduce te structural response o7 te &ridge due to teimpact generated &9 collision$ Also, it 5as necessar9 to ;no5 te stresses generated on

te pier structural elements and to calculate cruise velocit9 5en te collision 5as

produced$ n 9 =ue el &arco de&i> despla)arse a una velocidad

in7erior a 8 nudos en el momento del co=ue$

Paa,ras ca-!)Fustes, viga mesa, p>rtico A, vi&raci>n am&iental, amortiguamiento$


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En 7orma revisada el 03 de Diciem&re de '00'

INTRODUCCI.N

El impacto producido por un carguero de 000 toneladas so&re la pila '4 del 6uente

so&re el Cago de %aracai&o gener> la necesidad de comparar el deterioro o&servado en

la pila antes 9 despus del co=ue$ Esta comparaci>n 7ue posi&le de&ido a =ue Ca

Universidad del Zulia a&ía reali)ado entre 1// 9 1/// un replanteo de los patrones de

grietas presentes en todas las pilas del puente a 7in de determinar las posi&les causas del

deterioro del mismo 1$ Cos resultados de la comparaci>n mostraron poca di7erencia

entre los patrones de agrietamiento de la pila '4 antes 9 despus del accidente$

A 7in de determinar si u&o o no deterioro aprecia&le en la rigide) de la pila '4 a

consecuencia del impacto se reali)aron mediciones e:perimentales de las 7recuencias

naturales de vi&raci>n de la pila 9 se compararon con las medidas en la pila '0, la cual presenta una geometría, propiedades mec?nicas del su&suelo, características de

cimentaci>n, longitud de pilotes 9 pro7undidad del agua mu9 similares a la de la

primera$ Es conocido el eco de =ue estructuras sometidas a impactos o e:citaciones

sísmicas de mediana 9 alta intensidad aun=ue no presenten daos aprecia&les a simple

vista, es posi&le determinar el deterioro a travs del an?lisis de 7recuencias, 9a =ue estas

disminu9en de manera moderada en estructuras cu9a rigide) lateral cam&ia producto del

deterioro ', por esta ra)>n en el caso del puente se utili)> el an?lisis de 7recuencias a

7in de determinar si el co=ue del &u=ue produBo algGn dao oculto en la pila '4, so&re

todo, en )onas sumergidas como es el caso de una parte del ca&e)al 9 los pilotes, cu9a

suciedad 9 acumulaci>n de algas 9 materia org?nica di7iculta muco su inspecci>n

visual$ Estas mediciones de 7recuencia en am&as pilas se llevaron a ca&o &aBo

condiciones de vi&raci>n am&iental producida por el viento 9 el tr?nsito veicular

utili)ando para ello varios sensores de aceleraci>n 9 de velocidad de &aBa 7recuencia así

como un anali)ador de seales din?micas port?til, con los cuales se logr> calcular la

trans7ormada r?pida de Fourier FF*# para cada pila$ Al comparar los resultados se

o&tuvo una mu9 &uena apro:imaci>n entre las 7recuencias naturales de am&as pilas 3H

de di7erencia# por lo =ue se determin> =ue no u&o una aparente prdida de rigide) en la

pila '4 de&ido al impacto$ >lo se pudieron comparar los registros correspondientes a

los dos primeros modos 7undamentales de vi&raci>n de las pilas, los cuales 7ueroncalculados en ',./ s 9 1,/8 s, respectivamente$

o o&stante, los an?lisis te>ricos est?ticos de la estructura revelaron un posi&le dao

severo en algunos de los elementos estructurales de la pila, esto no era compati&le con

lo o&servado en las inspecciones de la pila despus del impacto$ 6or esta ra)>n se

decidi> llevar a ca&o un an?lisis din?mico estructural =ue permitiera reproducir los

es7uer)os =ue se generaron durante el co=ue en los elementos m?s importantes de la

estructura$ 6ara tal e7ecto se reali)> un an?lisis est?tico a travs del programa A6'000

3, para determinar la matri) de rigide) lateral reducida de la pila 9 7inalmente se llev>


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a ca&o un an?lisis de la estructura a travs del mtodo de aceleraci>n constante paso a

paso en el tiempo con un programa creado por los autores$

METODOLOG/A

Ca pila '4 del 6$@$n cu9a

longitud promedio es de .,. metros 4 Fi%#ra 0#$

Figura 1. Geometría de la pila 24.

En un modelo simpli7icado de la pila '4 se puede suponer =ue el impacto del co=ue

pudiera ser a&sor&ido por los pilotes Gnicamente 9 =ue la pila puede modelarse como

una masa Gnica la cual es soportada por una columna cu9as propiedades se o&tienen de

la geometría del grupo de pilotes Fi%#ra 2#$

Figura 2. Idealización de la pila 24.

En el modelo mostrado en la Fi%#ra 2, 6 representa la 7uer)a de impacto =ue se letransmite a la pilaJ 6g es el peso de todos los elementos =ue componen la

superestructura, E representa al m>dulo de elasticidad del material, I es la inercia

e=uivalente del elemento columna utili)ado en el modelo, C es la longitud e=uivalentede dico elemento en donde se considera de 7orma apro:imada una longitud e=uivalente

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2


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de pilote tomando en cuenta la interacci>n suelo(estructura de cimentaci>n . 9 ∆ el

despla)amiento lateral =ue e:perimenta el ca&e)al de la pila &aBo el e7ecto de co=ue$

i se iguala la energía cintica del &arco con la energía potencial =ue a&sor&e la pila,

despreciando la energía disipada en el co=ue, se o&tiene

1#

donde M b representa la masa del &arco m?s la masa aderida de agua, supuesta en un

30H de la masa del &arco +,V b la velocidad del &arco 9 K es la constante de rigide) del

elemento resistente, la cual puede o&tenerse de las e:presiones contenidas en la Fi%#ra2, de donde se o&tiene

'#

Ca ecuaci>n anterior considera =ue la energía cintica en su totalidad es trans7ormada

en energía potencial a&sor&ida por los pilotes, sin em&argo, esta ecuaci>n no toma en

cuenta =ue el &arco despus del impacto se de&e continuar moviendo 9 =ue por tanto la

pila de&er? a&sor&er menos energía$ 6ara considerar este e7ecto es posi&le utili)ar laecuaci>n de cantidad de movimiento 9 la e:presi>n de la conservaci>n de la energía

cintica, todo esto, despreciando la energía disipada, de esta manera se tiene

3#

4#

donde M p 9 V p representan la masa 9 la velocidad de la pila despus del co=ue,

respectivamente, pues se considera =ue la pila parte del reposo 9, V b9 V´ b son las

velocidades del &arco antes 9 despus del co=ue, respectivamente$ Al manipular

las !c#acion!s 13 ' 143 se o&tiene

.#

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec3-4http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec3-4http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec3-4


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+#

Al suponer =ue la masa de la pila inicia su movimiento con la velocidad inicial dada por

la !c#acin 153, al plantear la ecuaci>n 1# se o&tiene la siguiente e:presi>n para lacarga de impacto

#

n del carguero,utili)ando las !c#acion!s 123 9 163se o&tienen los resultados mostrados en la Ta,a0 para la 7uer)a 6$

Cos c?lculos 7ueron e7ectuados para tres velocidades de navegaci>n di7erentes por=ue

no se tenía certe)a en relaci>n con este dato en el momento de la colisi>n$ En estos

an?lisis se supuso la estructura de la pila in7initamente rígida desde el ca&e)al acia

arri&a$ on las 7uer)as generadas de esta manera se anali)> la pila sometida a esas

cargas en un an?lisis est?tico considerando comportamiento el?stico de los materiales 9

los resultados indicaron =ue la pila se de&i> destruir a consecuencia del impacto para

una velocidad de navegaci>n cercana a los tres nudos, sin em&argo, la inspecci>n no

re7leB> ma9or dao en la estructura, a pesar =ue la velocidad m?:ima de navegaci>n en

el canal es de 8 nudos$

Co anterior plante> la necesidad de reali)ar un an?lisis din?mico de la pila 9 la

ela&oraci>n de un modelo m?s realista de la estructura considerando tres grados de

li&ertad de sta m?s un grado adicional =ue representa el movimiento del carguero en el

momento del impacto Fi%#ra #$ Ca masa del &arco m?s la masa aderida de agua se

model> unida al ca&e)al con un resorte de propiedades no(lineales por tres ra)ones7undamentalesJ la primera, por=ue el &arco =ued> incrustado en la pila 9 para sacarlo de

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec5http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec7http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#tab1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#tab1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec5http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec7http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#tab1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#tab1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3


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allí 7ue necesario desprenderlo de esta, la segunda, por=ue el &arco poseía una estructura

de dep>sito mu9 rígida a 1,0 m de la proa, apro:imadamente 9, la tercera, por=ue el

modelo interesa principalmente para o&tener los es7uer)os m?:imos =ue se generaron en

la pila pocos instantes despus de iniciado el impacto$

Figura 3. Idealización de la pila 24 del P.G.R.U.

a. Modelo Indeformado de la pila.

. Modo! Principale! de "iración #ue Participan en el an$li!i! din$mico de

la pila.

En la estructura original de la pila, los 7ustes 9 el p>rtico KAK no se encuentranunidos Fi%#ra 0#$ Así en laFi%#ra , los trminos m1, m' 9 m3 representan lasmasas del ca&e)al, de la cal)ada del puente 9 de la corona del p>rtico KAK

9 R p, R f 9 R A representan de igual modo sus correspondientes rigideces e=uivalentes,

respectivamente, las cuales 7ueron calculadas mediante el uso del programa A6'000,

mientras =ue mb 9 Rb representan a la masa 9 la rigide) del &arco$ Ca masa del &arco se

o&tuvo de acuerdo con las ta&las =ue relacionan el calado de la em&arcaci>n con su peso

m?s la masa de agua aderida un 30H por e:ceso de la masa total del &arco#$ Ca

rigide) del &arco 7ue calculada en 7orma apro:imada segGn 6a) 8 considerando para

ello la destrucci>n de 18 cuadernas de 3/.,'8 cm', ' cuadernas de 8',. cm', seis vigas

longitudinales de '3,84 cm', tres vigas longitudinales de +',3 cm' 9 la rotura a corte

de la placa de acero e:terior del &arco cu9o espesor era de 1,3 cm$ De lo anterior se

o&tuvo una relaci>n apro:imada 7uer)a(despla)amiento =ue se muestra en la Fi%#ra 4$

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig4http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig4


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6ara o&tener el comportamiento de la pila durante el impacto se reali)> un programa

de an?lisis din?mico estructural paso a paso =ue considerara el comportamiento no

lineal en el material del &arco, 9a =ue la inspecci>n revel> la destrucci>n parcial de la

proa del mismo a causa de la colisi>n Fi%#ra 5#$ 6ara tal e7ecto, se gener> una matri)de masas M de acuerdo con las propiedades de la pila 9 del &arco 9 se o&tuvo una

matri) de rigide) e=uivalente reducida K con a9uda del programa de an?lisis A6'0003, para garanti)ar =ue los dos primeros períodos naturales de las pilas 7ueran de '$.801

segundos para la traslaci>n en un sentido 9 adicionalmente, se gener> una matri) de

amortiguamiento segGn a la pila durante el impacto, por

lo =ue el amortiguamiento propio de la estructura no in7lu9e considera&lemente en el

resultado$ Al plantear el e=uili&rio din?mico de la pila se o&tiene

#

donde ,representan los vectores de aceleraci>n, velocidad 9 despla)amiento de

la pila$

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig5http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig5


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Figura %. &e!trucción de la proa del carguero.

Al considerar =ue la pila se mueve en vi&raci>n li&re causada por la velocidad inicial

de impacto de la masa del &arco, mb, Fi%#ra a#, se puede suponer =ue las masas

concentradas del modelo de la pila parten del reposo en ese instante$ Así se o&tiene en7orma apro:imada la con7iguraci>n de7ormada 9 las 7uer)as internas en cada

su&estructura de la pilaJ stas pueden ser gra7icadas en 7unci>n del tiempo$ En la Fi%#ra7 se o&serva el despla)amiento generado en la pila '4 del puente suponiendo unavelocidad de impacto del &arco en . nudos$

AN*LISIS DE RESULTADOS

Cos resultados indican una r?pida participaci>n del material de la proa del &arco al

iniciar el co=ue, alcan)ando un despla)amiento m?:imo promedio de asta 0,/ metros

Fi%#ra 7#$ En realidad la proa del carguero se destru9> en una longitud de 1,' metrosen su parte superior Fi%#ra 5#$

Al iniciarse la plasti7icaci>n del material comen)> a su ve) el movimiento de la pila

en el ca&e)al mientras las masas m' 9 m3 correspondientes a la superestructura de la

pila# =uedaron pr?cticamente inm>viles, como se indica en la Fi%#ra 9 se registra enlas istorias de despla)amientos de la Fi%#ra 7$ Co anterior indica =ue la pila tiende a

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig5http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig5http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig3http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig6


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moverse, apro:imadamente, segGn su segundo modo de vi&raci>n transversal, al

determinar los despla)amientos en los tres grados de li&ertad, stos se multiplican por la

matri) de rigide) reducida, de donde se o&tienen las 7uer)as m?:imas actuando en la

pila, esto suponiendo =ue el &arco impact> perpendicularmente al eBe longitudinal del

puente, =ue es lo =ue presumi&lemente ocurri> en sitio$

Ese comportamiento genera una transmisi>n de la 7uer)a de impacto acia arri&a 9

acia a&aBo del ca&e)al$ De esta manera, una ve) calculados los posi&les estados de

7uer)as m?:imas internas en la pila se o&tienen los resultados mostrados en la Fi%#ra6 para una velocidad de navegaci>n igual a . nudos$

Figura '. &iagrama de fuerza! en la pila 24 para una "elocidadde impacto

() % nudo!.

A partir de este estudio se pudo veri7icar la resistencia de los 7ustes KLK, el p>rtico

KAK 9 los pilotes mientras =ue con el estudio est?tico e=uivalente previo s>lo 7ue

posi&le acerlo para los pilotes$ Del an?lisis din?mico reali)ado para una velocidad de

impacto de . nudos se o&tuvo un cortante m?:imo en los pilotes de '$331 toneladas, lo

cual resulta mu9 in7erior a los mostrados en la Ta,a 0, para la misma velocidad$ Alrevisar los elementos de la pila considerando las cargas m?:imas o&tenidas del an?lisis

din?mico, se o&serv> =ue la pila podía resistir una velocidad de impacto del &u=ue

cercana a los 8 nudos, sin em&argo, para velocidades de impacto superiores a esta, la

pila podría presentar daos considera&les, al momento del impacto se supone un .0H de

la carga viva recomendada por las normas 10 Fi%#ra 8#$

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig7http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig7http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#tab1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig8http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig7http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig7http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#tab1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#fig8


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CONCLUSIONES

Ca determinaci>n de la carga de impacto producida por el co=ue del &arco es

so&restimada si se calcula a partir de ecuaciones &asadas en la conservaci>n de la

energía para el caso est?tico

Un an?lisis din?mico paso a paso puede considerar en la respuesta el e7ecto de la

7le:i&ilidad de la pila, el amortiguamiento apro:imado 9 la li&eraci>n de energía =ue

actGan por e7ecto del impacto, re7leBando un comportamiento de la estructura m?s

apro:imado al real

Ca 7le:i&ilidad de la pila contri&u9> en la disminuci>n de la carga de impacto a todos

los elementos de la misma

Ca energía disipada por el &arco pudo disminuir la 7uer)a transmitida a la pila de&ido

al amortiguamiento no lineal =ue aport> el material del &u=ue

Al revisar los es7uer)os o&tenidos a partir del an?lisis din?mico se o&serv> =ue la pila

era capa) de soportar impacto producido por la em&arcaci>n en estudio a una velocidad

de navegaci>n cercana a los 8 nudos, sin em&argo, si se aplican las !c#acion!s 103 ' 123,tal a7irmaci>n no se podría reali)ar$

REFERENCIAS BIBLIOGR*FICAS

1$entro de Estudios de orrosi>n, Departamentos de Estructuras, onstrucci>n,Escuelas de Ing$ %ec?nica 9 @eodesia, Universidad del Zulia, K6rotocolo de

http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec2http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec1http://www.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702003000100008#ec2


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n del 6uente @eneral

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