Documento lrfd puentes_colombia

16 diseño
noticreto 125 julio / agosto 2014
16
Nuevo Código
Colombiano
de diseño de
puentes – LRFD
– NCP – 2014
En Colombia se utilizó la especificación americana
AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges,
hasta el año 1994, cuando el Gobierno Nacional
encargó a la Asociación Colombiana de Ingeniería
Sísmica –AIS– la tarea de producir un documento
nacional que sirviera de reglamentación para los
diseños de los puentes en el país. En 1995, la AIS,
mediante convenio con el Ministerio del Transporte y
el Instituto Nacional de Vías (Invías) publicó el Código
Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes – CCP
95, basado en la especificación AASHTO de 1992. En
el año 2013, en convenio con Invías, la AIS desarrolló
la nueva Norma Colombiana de Diseño de Puentes
NCP-2014, basada esta vez en la especificación
AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 6ª edición
(2012), fundamentada en la filosofía LRFD que hoy se
utiliza en muchos países para el diseño de todo tipo
de estructuras.
Aspectos relevantes de este nuevo documento son la
actualización de los mapas colombianos de amenaza
sísmica y la validación de la carga viva vehicular de
diseño para la práctica colombiana.
Ingeniero Josué Galvis Ramos
Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS
Los materiales, técnicas de construcción y mé-
todos de análisis y diseño de puentes han evolucio-
nado en respuesta a las crecientes necesidades de la
humanidad. Hasta principios del siglo XIX, los puen-
tes fueron diseñados y edificados por maestros de la
construcción con procedimientos empíricos. El acele-
rado desarrollo tecnológico y económico a partir de
la Revolución Industrial –con la invención del hierro
fundido y forjado, del acero, el concreto reforzado
y preesforzado y con la aparición de la teoría de las
estructuras y los conceptos de seguridad estructural–
han impulsado un proceso evolutivo en los métodos
de análisis, diseño y construcción de las estructuras.
En los últimos años, la incorporación de la estadística
y la teoría de las probabilidades al diseño han dado
lugar a una filosofía de confiabilidad en la seguridad
de las estructuras, que está siendo aplicada con acier-
to a la planeación y construcción de puentes. Lo an-
terior se ve reflejado en la expedición de normas y
especificaciones basadas en la filosofía de diseño con
LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN

diseño 17
factores de carga y de resistencia LRFD (Load Resistant
Factor Design) fundamentada en el uso confiable de los
métodos estadísticos mediante procedimientos de fácil
aplicación por los diseñadores de puentes.
La sociedad espera que los edificios, los puentes o
cualquier otra estructura construida en su vecindad o
en su área de influencia, sean seguros para quienes los
usan, bajo el supuesto de que la falla sea un evento de
muy escasa ocurrencia. Es decir, confía implícitamen-
te en la pericia de los profesionales comprometidos en
la planeación, diseño, construcción y mantenimiento
de las estructuras que utiliza.
Los ingenieros estructurales dedican todos sus
esfuerzos a llenar las expectativas de la sociedad sin
perder de vista la economía y la funcionalidad de los
proyectos. En los años recientes los ingenieros y los
científicos trabajan conjuntamente para desarrollar
métodos que den respuesta a los crecientes desafíos
de la ingeniería. Aceptando que nada es absolutamen-
te seguro, la discusión de seguridad puede darse en
términos de probabilidades de falla, aceptablemente
pequeñas. Partiendo de esta premisa, la teoría de la
confiabilidad surgió y ha llegado a ser parte de la cien-
cia y la práctica de la ingeniería de hoy. Su aplicación
se refiere no solo a la seguridad de las estructuras,
sino también a las condiciones de servicio y a otras
exigencias de los sistemas técnicos, sujetos a alguna
probabilidad de falla.
En la historia de la construcción de los edificios
y puentes han ocurrido muchas fallas. Con la expe-
riencia de estos sucesos infortunados los ingenieros
estructurales han desarrollado teorías y técnicas que
permitan diseñar estructuras con márgenes de segu-
ridad confiables, en la medida en que lo demandan
las crecientes necesidades de la humanidad. Una de
las teorías desarrolladas en los últimos años es la de
la confiabilidad, herramienta fundamental en el de-
sarrollo de nuevos métodos y filosofías del diseño
estructural. En el caso de los puentes, la teoría de la
confiabilidad ha permitido crear, evaluar y calibrar
los modelos de carga viva que representan a las com-
plejas y aleatorias cargas reales de los vehículos que
circulan por las carreteras de todo el Mundo.
Las especificaciones AASHTO y la práctica
colombiana
En buena parte del continente americano, el diseño de
puentes se ha practicado teniendo como referencia de
primera mano las especificaciones americanas AASHO
(American Association of State Highway Officials) cuya pri-
mera norma, Standard Specifications for Highway Bridges
and Incidental Structures, fue publicada en 1931 y obtuvo
amplio reconocimiento. Posteriormente se denominó
AASHTO (American Association of State Highways and
Transportation Officials) y se creó el AASHTO Highway
Subcommittee on Bridges and Structures, autor y guardián
de esta primera norma. El titulo original fue simplifica-
do y en sus últimas ediciones periódicas, con intervalos
aproximados de cuatro años, lo hemos conocido como
Standard Specifications for Highway Bridges. Su edición
más reciente, la 17ª, fue publicada en el año 2002.
La tecnología y los nuevos
métodos de diseño de
puentes han permitido que los
usuarios de las estructuras
hagan uso de estas con
mayor confiabilidad.
Cortesía Agencia Nacional de
Infraestructura
Las características
técnicas de los proyectos
deben satisfacer a su vez
la economía y funcionalidad
de los mismos.
Cortesía WSDOT

18 diseño
En la introducción de la AASHTO LRFD, 6ª edi-
ción, se expresa: “El volumen de conocimientos relacio-
nados con el diseño de puentes de carretera ha crecido
enormemente desde 1931 y continúa haciéndolo. La teoría
y la práctica han evolucionado significativamente, refle-
jando los avances de la investigación en el conocimiento
de las propiedades de los materiales, sus mejoras, en el
más racional y preciso análisis del comportamiento de las
estructuras, en el advenimiento de los computadores y el
rápido avance de su tecnología, en el estudio de los eventos
externos que representan amenaza para los puentes, ta-
les como eventos sísmicos, crecientes de los ríos y muchas
otras áreas.”
En 1986, el subcomité de AASHTO encargado
de estos asuntos manifestó interés por efectuar una
evaluación de las especificaciones AASHTO vigentes,
revisar las especificaciones y códigos extranjeros y, lo
más importante, considerar las alternativas de filosofía
de diseño a las especificaciones estándar que eran de
uso corriente. El trabajo fue realizado identificando
y enmendando vacíos, inconsistencias y algunos con-
flictos. Y más aún, encontrando que la especificación
no reflejaba los más recientes desarrollos de la filosofía
de diseño con factores de carga y resistencia, LRFD.
Este enfoque venía ganando terreno en otras áreas de
la ingeniería estructural y en otras partes del Mundo
como Canadá y Europa. Finalmente, AASHTO pu-
blicó en 1994 su primera edición de especificaciones
para diseño de puentes basada en la filosofía LRFD,
AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Su más re-
ciente publicación es la 6ª edición, de 2012.
Norma LRFD y norma estándar
En la especificación AASHTO, desde el comienzo y hasta
los inicios de la década de los años 70, la única filosofía
de diseño utilizada fue la conocida como “Diseño por
esfuerzos de trabajo”, WSD (Working Stress Design). Esta
metodología definía los esfuerzos admisibles como una
fracción de la resistencia de un material determinado y
requería que los esfuerzos de diseño calculados no exce-
dieran los esfuerzos admisibles definidos. A comienzos
de los años 70, la metodología WSD inició un proceso
de evaluación para reflejar la variabilidad de ciertos tipos
de carga, tales como las cargas vehiculares, las fuerzas
sísmicas y de viento. Esto se logró ajustando unos fac-
tores de diseño y dando lugar a una filosofía de dise-
ño denominada “de factores de carga LFD” (Load Factor
Design). Ambas filosofías, WSD y LFD, estaban contenidas
en las ediciones de las especificaciones estándar AASHTO
Standard Specifications for Highway Bridges.
La filosofía de diseño con factores de carga y de re-
sistencia LRFD se basa en el uso confiable de los mé-
todos estadísticos y define procedimientos fácilmente
utilizables por los diseñadores de puentes.
Esta nueva filosofía resultó de considerar la varia-
bilidad de las propiedades de los elementos estruc-
turales y, de manera similar, la variabilidad de las
cargas. La filosofía de diseño con factores de carga y
de resistencia LRFD se basa en el uso confiable de
los métodos estadísticos y define procedimientos fá-
cilmente utilizables por los diseñadores de puentes.
Con la aparición de la especificación LRFD, en los
años recientes los ingenieros de puentes han tenido
que elegir entre las dos filosofías para hacer sus dise-
ños, evitando aplicar combinaciones de ellas. En cada
una de las dos modalidades, la AASHTO ha puesto
numerosos documentos de ayuda a disposición de los
ingenieros diseñadores.
La aleatoriedad de las
cargas de servicio de los
puentes.
Cortesía Panhule
En la mayoría de países
del continente americano,
el diseño de puentes se
ha realizado teniendo
como referencia las
especificaciones americanas
AASTHO.
Cortesía WSDOT

diseño 19
Diseño por estados límite
El diseño por estados límite es una aplicación acertada
de los métodos estadísticos de diseño, en los cuales el
énfasis está en la probabilidad de falla. Esta metodología
ha sido adoptada en la mayoría de códigos de diseño de
puentes.
Un estado límite es una condición más allá de la
cual una estructura, o uno de sus componentes, no
cumple la función para la cual fue diseñada. La meto-
dología de diseño por estados límite es usada corrien-
temente en diseño estructural y tiene dos caracterís-
ticas básicas: 1) trata de considerar todos los estados
límite posibles, y 2) está basada en métodos proba-
bilísticos. Los estados límite deben estar suficiente-
mente bien definidos, de tal manera que un diseñador
sepa qué considera como aceptable o inaceptable. De
mayor importancia es prevenir que se alcancen los
estados límite, pero hay otras metas igualmente de-
seables: funcionalidad, apariencia y economía. No es
económico diseñar un puente para que ninguno de
sus componentes falle. Por lo tanto, es necesario de-
terminar cuál es el nivel de riesgo o probabilidad de
falla aceptable.
El estado límite más simple es el de la falla de un
componente bajo una carga particular aplicada. Esto
depende de dos parámetros: la magnitud de la car-
ga que afecta a la estructura, llamada el efecto de la
carga, y la resistencia o esfuerzo del componente. Si
el efecto de la carga excede la resistencia, entonces
el componente fallará. Sin embargo, la magnitud del
efecto de la carga y la resistencia están sujetas a incer-
tidumbres. Para cuantificar la incertidumbre asociada
a la resistencia es necesario efectuar gran número de
ensayos, útiles para calcular la resistencia promedio
y alguna medida de su variación como la desviación
estándar o el coeficiente de variación. Al número de
muestras que caen dentro de un intervalo dado se le
asigna una probabilidad de ocurrencia P. Igualmente,
es posible obtener la curva de la función de densidad
de probabilidad, la cual se asume que sigue una dis-
tribución normal, ya que sus propiedades y área bajo
la curva se encuentran tabuladas para facilitar su uso.
La determinación de un aceptable margen de se-
guridad no está basada en la opinión de un solo in-
dividuo. Para ello se confía en la experiencia y buen
juicio de calificados y amplios grupos de ingenieros
conformados por investigadores, consultores e inge-
nieros comprometidos en el diseño y supervisión de
puentes.
Calibración de la especificación colombiana
LRFD para puentes
En la calibración de un código de diseño es posible uti-
lizar muchas aproximaciones. Puede acudirse al buen
juicio, a la adaptación de otros códigos, a la teoría de la
confiabilidad estructural o a una combinación de todas
estas aproximaciones. El buen juicio, sin embargo, pue-
de dar lugar a subestimar o sobreestimar los parámetros.
La inclusión de
especificaciones LRFD han
permitido que los diseñadores
estructurales puedan escoger
entre ese método y el
AASHTO para el diseño de
puentes.
Cortesía WSDOT

20 diseño
Por lo general, la calibración por adaptación se
hace cuando hay un cambio fundamental en la filo-
sofía de diseño o en el formato del código. Los pa-
rámetros de un nuevo código deben obtenerse de tal
manera que los diseños resultantes sean esencialmen-
te los mismos que se lograrían utilizando el código
anterior. Su principal objetivo sería transferir la expe-
riencia de la aplicación del código antiguo al nuevo.
Esta técnica garantiza que los nuevos diseños no se
desvíen significativamente de los diseños existentes.
Un código también puede calibrarse mediante un
proceso más formal usando la teoría de la confiabili-
dad. Para estimar los valores confiables de factor de
carga y resistencia, tal proceso consta de los siguientes
pasos: 1) compilar una base de datos de parámetros
de carga y resistencia; 2) estimar el nivel de confia-
bilidad inherente a los métodos de diseño corrientes
de predicción de resistencia de las estructuras de los
puentes; 3) observar la variación de los niveles de
confiabilidad con diferentes luces, relaciones de DL
(Dead Load) a LL (Live Load) y combinaciones de car-
ga, tipos de puentes y métodos de cálculo de resisten-
cia; 4) seleccionar como objetivo un índice de con-
fiabilidad (b), basado en los márgenes de seguridad
implícita en los diseños corrientes; 5) calcular factores
de carga y resistencia consistentes con el índice de
confiabilidad definido. También es importante aco-
plar la experiencia y el buen juicio con la calibración
de los resultados.
La nueva especificación colombiana de diseño de
puentes está basada en las AASHTO LRFD Bridge De-
sign Specifications, 6th Ed. 2012, la cual consta de 15
Carga media
Resistencia media
Carga
Distribuciones de densidad de probabilidad para resistencia y carga
Resistencia
Carga
PDF
Funcióndedensidad
El diseño por estados
límite es una aplicación
acertada de los métodos
estadísticos de diseño, en los
cuales el énfasis está en la
probabilidad de falla.
Cortesía WSDOT
Concepto básico de la
teoría de la confiabilidad
estructural.

CENTRAL
secciones. Las cargas vehiculares de diseño y la fuerza sísmica
han sido actualizadas y calibradas mediante procesos como el
ya descrito.
La carga vehicular de diseño tendrá características similares
a las de la especificación AASHTO LRFD, lo cual facilitará el uso
de los programas de computador comunmente utilizados por los
diseñadores de puentes en todo el mundo. Se ha calibrado para
un índice de confiabilidad (b) de 3,5 equivalente a una probabi-
lidad de falla de 2,33x10-4, igual al utilizado en la determinación
de la carga viva de diseño para los puentes en Estados Unidos.
Para la presente actualización se han preparado los mapas
de amenaza sísmica, de enfoque probabilista, con el objetivo de
establecer los valores de los coeficientes sísmicos de diseño de-
nominados como PGA (Peak Ground Acceleration), Ss y S1 aso-
ciados en esta ocasión a una probabilidad de excedencia del 7%
en una vida útil de 75 años, lo que equivale, aproximadamente,
a un período de retorno de 975 años. El coeficiente PGA co-
rresponde a la aceleración máxima del terreno (0 segundos de
período) mientras que Ss y S1 corresponden a los valores de la
amenaza, asociados a los períodos de vibración iguales a 0,2 y
1,0 segundos respectivamente. Además, para los puentes clasifi-
cados como críticos y de acuerdo con su importancia y localiza-
ción, se ha determinado que los coeficientes sísmicos deben estar
asociados a una probabilidad de excedencia del 2% en 50 años
de vida útil, lo cual corresponde aproximadamente a un período
de retorno de 2.500 años. Para este período de retorno se han
calculado los mismos coeficientes sísmicos (PGA, Ss y S1) con el
5% de amortiguamiento.
Las demás cargas y combinaciones de cargas especificadas
permanecen, básicamente, iguales a las indicadas en la especifi-
cación AASHTO LRFD.
Grupos de trabajo
En esta tarea de adaptación de las especificaciones LRFD de diseño
de puentes para Colombia ha participado un gran número de inge-
nieros civiles, estructurales, geotecnistas y personal auxiliar. Gracias
a sus contribuciones ha sido posible concretar este esfuerzo que
próximamente estará disponible para su aplicación en todo el país.
Referencias
• AASHTO (American Association of State Highway and Transportation
Officials) Standard Specifications for Highway Bridges (1994) Washington
D.C.
• AASHTO (American Association of State Highway and Transportation
Officials) AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2012) Washington
D.C.
• AIS (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica) Código colombiano
de diseño sísmico de puentes (1995) Bogotá, D.C.
Josué Galvis Ramos
será otro de los
protagonistas de la Reunión
del Concreto 2014
El ingeniero

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