INFORME N°1.150.268

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO INFORME FINAL REV.0

División Estructuras y Materiales

REF.:PR-DEM.2016-1313

Ejemplar N°1

62

Páginas N°

NOMBRE Elaborado por:

Revisado por: Aprobado por: Destinatario:

FECHA Simón Cardemil G. José Luis Domínguez C. Felipe Arce M. Guillermo Sierra R. Víctor Águila O. Ronald Azaad C. Fernando Yáñez U. Empresa de los Ferrocarriles del Estado

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INFORME FINAL

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ÍNDICE ÍNDICE .............................................................................................................................................................. 2 1.

ALCANCE................................................................................................................................................... 4

2.

ANTECEDENTES ........................................................................................................................................ 4

3.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 4 3.1 3.2

4.

DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA..................................................................................................................... 5 DESCRIPCIÓN DE LA ZONA COLAPSADA .............................................................................................................. 8

METODOLOGÍA ......................................................................................................................................... 9 4.1 ESTUDIO DE ANTECEDENTES ........................................................................................................................... 9 4.2 INSPECCIÓN EN TERRENO DE LA ESTRUCTURA ..................................................................................................... 9 4.3 CARACTERIZACIÓN GEOMÉTRICA MEDIANTE ESCÁNER LÁSER 3D ............................................................................ 9 4.4 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL DE LA ESTRUCTURA .......................................................................................... 9 4.4.1 Análisis químico ............................................................................................................................. 10 4.4.2 Ensayo de tracción ........................................................................................................................ 10 4.4.3 Ensayo de tenacidad al impacto de Charpy................................................................................... 10 4.4.4 Análisis metalográfico ................................................................................................................... 10 4.5 ANÁLISIS ESTRUCTURAL ............................................................................................................................... 10 4.6 ANÁLISIS DEL ESTUDIO HIDROLÓGICO, HIDRÁULICO Y DE SOCAVACIONES ................................................................ 11

5.

RESULTADOS .......................................................................................................................................... 12 5.1 ESTUDIO DE ANTECEDENTES ......................................................................................................................... 12 5.1.1 Historial del puente ....................................................................................................................... 12 5.1.2 Estudios de ingeniería, rehabilitación y refuerzo del puente ......................................................... 12 5.1.3 Trenes de carga ............................................................................................................................. 13 5.1.4 Planos estructurales del puente .................................................................................................... 14 5.1.5 Normas y otros documentos ......................................................................................................... 15 5.1.6 Informe de topobatimetría post colapso ....................................................................................... 16 5.2 INSPECCIÓN EN TERRENO DE LA ESTRUCTURA ................................................................................................... 17 5.2.1 Inspección general ......................................................................................................................... 17 5.2.2 Levantamiento de daños de la superestructura ............................................................................ 23 5.2.3 Levantamiento de daños de los tramos colapsados ...................................................................... 25 5.2.4 Inspección subacuática de las pilas colapsadas ............................................................................ 31 5.3 CARACTERIZACIÓN GEOMÉTRICA MEDIANTE ESCÁNER LÁSER 3D .......................................................................... 33 5.4 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL DE LA ESTRUCTURA ........................................................................................ 34 5.4.1 Ubicación de muestras en el puente ............................................................................................. 34 5.4.2 Ensayos de laboratorio realizados................................................................................................. 37 5.4.3 Resumen de los resultados de ensayos ......................................................................................... 37 5.5 ANÁLISIS ESTRUCTURAL ............................................................................................................................... 38 5.5.1 Análisis estructural inicial .............................................................................................................. 38 5.5.2 Análisis estructural específico ....................................................................................................... 39 5.5.3 Análisis estructural ........................................................................................................................ 40 5.6 ANÁLISIS DEL ESTUDIO HIDROLÓGICO, HIDRÁULICO Y DE SOCAVACIONES ................................................................ 52 5.6.1 Análisis hidrológico........................................................................................................................ 52 5.6.2 Análisis hidráulico.......................................................................................................................... 52 5.6.3 Evolución morfológica del cauce del río Toltén entre 1979 a 2016 ............................................... 53 5.6.4 Análisis de socavaciones locales .................................................................................................... 54

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ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................................................................................................... 56 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

7.

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ESTUDIO DE ANTECEDENTES ......................................................................................................................... 56 INSPECCIÓN EN TERRENO DE LA ESTRUCTURA ................................................................................................... 56 CARACTERIZACIÓN GEOMÉTRICA MEDIANTE ESCÁNER LÁSER 3D .......................................................................... 57 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL DE LA ESTRUCTURA ........................................................................................ 57 ANÁLISIS ESTRUCTURAL ............................................................................................................................... 57 ANÁLISIS DEL ESTUDIO HIDROLÓGICO, HIDRÁULICO Y DE SOCAVACIONES ................................................................ 57 ANÁLISIS DE LA PROFUNDIZACIÓN DEL LECHO ................................................................................................... 58 MECANISMO DE COLAPSO ............................................................................................................................ 60

CONCLUSIÓN .......................................................................................................................................... 62

ANEXO A: REVISIÓN DE ANTECEDENTES ANEXO B: FICHAS LEVANTAMIENTO LÁSER ANEXO C: LEVANTAMIENTO DE DAÑOS ANEXO D: ANÁLISIS ESTRUCTURAL ANEXO E: SUPERPOSICIÓN TOPOBATIMETRÍA – LEVANTAMIENTO LÁSER – ALTURA DE LAS CEPAS ANEXO F: RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIO

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1.

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ALCANCE

A solicitud de la Empresa de los Ferrocarriles del Estado (EFE), a través del Sr. Pedro Zurita, se realizó el estudio de falla del puente ferroviario Toltén, el cual presentó el colapso de tres de sus tramos y de una de sus cepas el día 18 de agosto de 2016 durante el paso de un tren con carga. El puente se ubica en la comuna de Pitrufquén, IX Región de la Araucanía. El estudio tiene como objetivo establecer los factores que incidieron en el colapso (parcial) del puente Toltén, mediante las siguientes actividades: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Estudio de antecedentes Inspección en terreno de la estructura Caracterización geométrica mediante escáner láser 3D Caracterización del material de la estructura Análisis estructural Análisis del estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones del río Toltén elaborado por la empresa APR Ingeniería S.A.

El presente informe contiene los siguientes anexos: Anexo A: Revisión de antecedentes Anexo B: Fichas levantamiento láser Anexo C: Levantamiento de daños Anexo D: Análisis estructural Anexo E: Superposición topobatimetría – levantamiento láser – altura de las cepas Anexo F: Resultados de ensayos de laboratorio 2.

ANTECEDENTES

Para el desarrollo del trabajo se han recibido y revisado nuevos antecedentes, los cuales se suman a los presentados en los informes de avance N°1 y N°2 de este estudio. Para efectos de la numeración de los antecedentes tenidos a la vista, en adelante se hará referencia al numero de antecedente presente tanto en el informe de avance N°1, N°2 como en el presente informe final. El listado de antecedentes se adjunta en el Anexo A. 3.

INTRODUCCIÓN

El día 18 de agosto, aproximadamente a las 16:00 hrs (según información entregada por EFE), se produjo el colapso de 3 tramos y una cepa del puente ferroviario que cruza el río Toltén, ubicado en la comuna de Pitrufquén, IX Región de la Araucanía. El colapso del puente se produjo en instancias en que pasaba un tren, desde el norte hacia el sur, compuesto por una serie de carros que transportaban productos de uso industrial. Luego del colapso, la cepa colapsada, parte de los tramos afectados y algunos de los vagones del tren quedaron bajo agua, quedando la locomotora y los dos vagones consecutivos sobre la vía, al sur de los tramos colapsados. Las Figura 3.1 y Figura 3.2 muestran una vista aérea general del puente Toltén y una vista sur poniente de la zona colapsada, respectivamente; el puente ferrioviario Toltén se encuentra aguas abajo de dos puentes viales (en las fotos se ubica a la izquierda de los puentes viales).

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Puente Toltén

N

Río Toltén Figura 3.1: Vista aérea puente Toltén previa al colapso 03/07/2016. (Fuente: Google Earth).

Zona colapsada

Figura 3.2: Vista sur poniente Puente Toltén colapsado. Fuente: Video Drone entregado por EFE. 3.1 Descripción de la estructura El puente Toltén corresponde a un puente ferroviario de vía superior conformado por vigas enrejadas de acero remachado, ubicado en la línea central sur de la red (EFE), entre el km 718,600 (norte) y el km 719,051 (sur). El puente fue diseñado y construido en la década de 1890 por la compañía francesa Schneider & Creuzot. El puente está conformado por 9 tramos, entre cepas, de 50 m de largo, con una longitud total de 450.93 m. Cada tramo a su vez se divide en 12 módulos que conforman las vigas enrejadas. La infraestructura del puente se compone de 2 estribos (norte y sur) y 8 cepas, formadas por 2 pilas de sección circular (oriente y poniente), las que a su vez se constituyen por camisas metálicas remachadas, rellenas de hormigón simple, a excepción de la cepa próxima al estribo sur, que aparentemente sería de hormigón o estaría reparada con un encamisado de hormigón. Las cepas se encuentran simplemente apoyadas sobre el terreno del río, presentando distintas profundidades de enterramiento inicial.

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La superestructura del puente se conforma por tramos enrejados rectos de acero remachado, compuestos por vigas enrejadas formadas por cuerdas longitudinales inferiores y superiores (sección compuesta “T”), diagonales (sección C) y montantes (de sección compuesta “doble T”), conectadas en planos verticales y horizontales a través de diagonales, que arriostran la estructura, y vigas transversales que conectan los montantes y las cuerdas superiores. Las vigas longuerinas (de sección compuesta “doble T”), donde se ubican los rieles, se apoyan en vigas transversales, que a su vez se conectan al cordón superior y a los montantes de las vigas enrejadas. En la Figura 3.3 se muestra un esquema de la estructura original del puente Toltén proyectada en 1896, identificando la numeración de tramos y cepas que lo componen. T-2

T-1

T-3

T-5

T-4

T-6

T-7

T-8

T-9

Norte

Sur

Estribo Norte

C-1

C-2

C-4

C-3

C-6

C-5

C-7

Estribo Sur

C-8

Figura 3.3: Estructura original del puente Toltén proyectada en 1896. Numeración de tramos y cepas. Vista poniente (desde aguas abajo). Los tramos Nº 1-2, 3-4, 6-7 y 8-9 se encuentran unidos, conformando tramos dobles, mientras que el tramo Nº 5 corresponde a un tramo simple. Estos tramos se encuentran apoyados sobre las cepas mediante apoyos fijos y deslizantes. La Figura 3.4 muestra un esquema de la estructuración y tipo de apoyo de la superestructura del puente (modelación). T-1

T-2

T-3

T-4

T-6

T-5

T-7

T-8

T-9 Sur

Norte

Estribo Norte

C-1

Tipo de apoyo:

C-2

C-3

C-4

C-5

C-6

C-7

C-8

Estribo Sur

Apoyo fijo Apoyo deslizante

Figura 3.4: Esquema de la estructuración y tipo de apoyo de la superestructura del puente. Vista poniente. En la década de 1930 se realizó el refuerzo del puente, con el objetivo de permitir el paso de trenes de mayor capacidad de carga que las del diseño original. El refuerzo consistió en la incorporación de una cadena de acero parabólica atirantada (conformada por placas de acero), conectada a la cuerda superior de la viga enrejada longitudinal del puente por medio de tirantes de acero (barras de sección circular), rotulados en sus dos extremos. Junto con la cadena de acero, se dispusieron de torres que sostienen a la cadena, ubicadas sobre las cepas, rotuladas en su base y apoyadas sobre la cuerda superior de las vigas. La cadena por su parte, se ancla en

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el extremonorte del puente, mientras que en el extremo sur se encuentra conectada a un par de contrapesos, que le dan la tensión a la cadena. Adicionalmente, se reforzaron las vigas longuerinas mediante la incorporación de un enrejado bajo las mismas. En la Figura 3.5 se muestra un esquema de la estructura del puente Toltén, reforzada según lo proyectado en 1931. Norte

T-1

T-2 Cadena

T-3

T-4

T-6

T-5

T-7

T-8

T-9

Sur

Ubicación de contrapeso

Tirantes

Estribo Estribo C-1 C-2 C-4 C-6 C-3 C-5 C-7 C-8 Norte Sur Figura 3.5: Estructura reforzada del puente Toltén (atirantada) proyectada en 1931. Vista poniente. Actualmente, se conserva la estructuración reforzada del puente mediante el atirantamiento, a lo cual se sumó el refuerzo de las cuerdas superiores e inferiores, mediante la incorporación de placas posterior al sismo de 2010. En la Figura 3.6 y Figura 3.7 se muestra la estructuración actual y los elementos constituyentes de los tramos dobles (Tramos Nº 1-2, 3-4, 6-7 y 8-9) y el tramo simple del puente (tramo Nº 5).

Torre

Cadena

Tirantes

Cuerda superior

Cuerda inferior

Montantes Diagonales

Figura 3.6: Tramo doble tipo. Tramos Nº 1-2, 3-4, 6-7 y 8-9.

Cuerda superior Torre

Cuerda inferior

Cadena Tirantes Diagonales Montantes

Figura 3.7: Tramo simple. Tramo Nº 5. En la Figura 3.8 se presenta una elevación tipo de un eje transversal del puente, donde se observa la conexión a través de una viga transversal entre las cuerdas superiores, las cuales a su vez están conectadas mediante diagonales que arriostran el puente. Las vigas transversales coinciden con la ubicación de los montantes en el puente.

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Viga transversal

Cuerda superior

Cuerda superior

Montante

Montante

Figura 3.8: Elevación esquemática de un eje tipo del puente. 3.2 Descripción de la zona colapsada Los tramos colapsados del puente corresponde al tramo doble Nº 3-4 y al tramo simple Nº 5, además, de la cepa Nº 4. En la Figura 3.9 se muestra un esquema de los tramos y cepa colapsada del puente Toltén. En la Figura 3.10 se muestra una fotografía los tramos colapsados.

Norte

Tramo Doble Nº 3-N°4

Tramo Simple Nº 5

Cepa Nº 4 (Colapsada)

Sur

Nivel del agua

Figura 3.9: Esquema de puente Toltén colapsado. Vista poniente. Tramo Doble Nº 3- Nº 4

Tramo Simple Nº 5

Figura 3.10: Fotografía vista general de puente Toltén colapsado. Vista poniente. Con base en la forma de colapso observada, se plantean como posibles causas del mismo, la falla de la superestructura o la caída de la cepa N°4.

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METODOLOGÍA

La metodología utilizada para la realización del estudio fue la siguiente: 4.1 Estudio de antecedentes Se realizó el estudio de los antecedentes entregados por el mandante, con el objetivo de complementar la información utilizada en el análisis estructural. Los antecedentes revisados, se agrupan en las siguientes categorías: Historial del puente (antecedentes Nº 1 a 3) Estudios de ingeniería, rehabilitación y refuerzo del puente post sismo del 2010 (antecedentes Nº 4 a 10) Trenes de carga (antecedentes Nº 11 a 14) Planos estructurales del puente (antecedentes Nº 15 a 54) Normas y otros documentos (antecedentes Nº 55 a 72 y N°77) Informes post colapso del puente, topobatimetría (antecedente Nº 73) Videos y fotografías proporcionadas por EFE (antecedente Nº 74 a 76) Procedimientos constructivos reparaciones y refuerzos del año 2016(antecedentes N°78 a 82) Estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones post colapso (antecedentes N°83) 4.2 Inspección en terreno de la estructura Se realizó una inspección de la estructura del puente en distintos periodos, los cuales fueron definidos según la accesibilidad a los distintos elementos que sufrieron el colapso: a)

Inspección de la superestructura colapsada que quedó fuera del agua, al día siguiente del colapso y en días posteriores. b) Inspección de la superestructura colapsada que quedó bajo agua, una vez retirada del fondo del río. c) Participación presencial durante una inspección sub acuática de las pilas de la cepa N°4 colapsada. Durante estas inspecciones se registraron los principales daños presentes en los tramos colapsados del puente, identificando el tipo de daño y su ubicación, además, de los daños y deformaciones generales de las estructuras. Se identificaron eventuales anomalías, tales como: fisuras insipientes, deformaciones locales, posibles intervenciones y presencia de corrosión, entre otras, con el propósito de determinar patrones de falla de los componentes de la estructura. 4.3 Caracterización geométrica mediante escáner láser 3D Durante la primera inspección, en agosto de 2016, se realizó el levantamiento láser 3D general de la estructura, con el objeto de levantar la condición geométrica global del puente y en particular de la zona colapsada, para detectar posibles desniveles y/o desaplomes en la zona no colapsada del puente. 4.4 Caracterización del material de la estructura Durante la segunda inspección en terreno, en septiembre de 2016, se seleccionaron muestras de los principales componentes de la superestructura, para realizar una caracterización de sus propiedades mecánicas. Se realizó la extracción de muestras principalmente del tramo 3 del puente, tanto de elementos fallados como de elementos sin falla.

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Los ensayos de laboratorio consideraron la caracterización del material de los elementos principales del puente al igual que la caracterización de la fractura de los elementos fallados. Los ensayos de laboratorio realizados para la caracterización de material de los perfiles extraídos de la estructura central fueron los siguientes: 4.4.1 Análisis químico Se realizaron análisis químicos a muestras extraídas de los tramos 3 y 4 del puente, con el objetivo de determinar la composición química de las muestras de acero. El ensayo se realizó mediante espectrometría de emisión óptica de acuerdo a lo indicado en la norma ASTM A751. 4.4.2 Ensayo de tracción Se realizaron ensayos de tracción a muestras extraídas de los tramos 3 y 4 del puente, con el objetivo de determinar las propiedades mecánicas a tracción (tensión de fluencia, tensión máxima y alargamiento) de las mismas. El ensayo se realizó de acuerdo a lo indicado en la norma ASTM E8. 4.4.3 Ensayo de tenacidad al impacto de Charpy Se realizaron ensayos de tenacidad al impacto de Charpy a muestras extraídas de los tramos 3 y 4 del puente, con el objetivo de determinar la tenacidad al impacto de las muestras. El ensayo se realizó de acuerdo a lo indicado en la norma ASTM E23. 4.4.4 Análisis metalográfico Se realizaron análisis metalográficos a las muestras extraídas de los tramos 3 y 4 del puente, con el objetivo de determinar su microestructura. Las metalografías se prepararon de acuerdo a lo indicado en las normas ASTM E3 y ASTM E407. 4.5 Análisis estructural Se realizó un análisis estructural de la superestructura del puente en base a dos modelos computacionales, uno para el tramo doble y otro para el tramo simple, utilizando el software de elementos finitos SAP2000. El modelo se construyó con base en las dimensiones generales del puente obtenidas del levantamiento láser y las secciones de los perfiles estructurales indicadas en los planos de los antecedentes N°25 a N°54, las cuales fueron corroboradas con mediciones in situ. La evaluación se realizó para la condición de operación al momento de colapso (antecedente N°13), con las características del tren que circulaba en ese momento, y para el tren de diseño tipo B (antecedentes N°11). De este análisis se obtuvieron los esfuerzos en la estructura y se identificaron los elementos sometidos a las mayores solicitaciones. A modo referencial, se realizó una verificación estructural de los elementos principales de la estructura, según los requerimientos establecidos por la norma AREMA 2001 (antecedente N°56) para el tren de diseño tipo B (la estructura no se diseñó bajo los parámetros de esta norma). Junto con lo anterior, se realizó un análisis del nivel tensional de los principales elementos estructurales, con el objetivo de definir la ubicación de los elementos más tensionados (zonas críticas). Dado que en la inspección de la estructura no se evidenciaron fallas en las uniones, el análisis estructural no incluyó la determinación de los esfuerzos en las conexiones.

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4.6 Análisis del estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones Se realizó un análisis de los principales resultados del estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones, realizado por la empresa ARP Ingeniería S.A. (antecedente N°83). Este estudio evaluó principalmente la alteración y profundización del cauce y las socavaciones locales al pie de las pilas, con el objetivo de definir las condiciones que se dieron en el río Toltén, en el tramo del puente FFCC, los días anteriores próximos al colapso de la estructura, logrando así detectar posibles causas del colapso del puente.

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5.

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RESULTADOS

5.1 Estudio de antecedentes A continuación se presenta la información más relevante que se obtuvo de la revisión de los antecedentes revisados. La revisión y el análisis en detalle se presenta en el Anexo A. 5.1.1 Historial del puente A partir de la revisión de los antecedentes N°1 al 3 se construye una línea de tiempo con los acontecimientos más importantes que ha sufrido el puente, lo cual se resume en la Tabla 5.1.

Año

Tabla 5.1: Principales hitos en la historia del puente Toltén (que poseen registro). Hito Nº Descripción

1896

1

1928 - 1931

2

2010

3

2015

4

2016

5

Construcción del puente - Base de cálculo para carga uniformemente distribuida de 2000 kg/m por cada riel. Reforzamiento para tren tipo 1907 + 25% de peso propio (tren tipo B EFE). La estructura se refuerza con un sistema de atirantamiento. Además se refuerzan localmente las vigas longuerinas mediante la incorporación de un enrejado inferior. Se realizan trabajos de reparación post terremoto de 27 de febrero, a cargo de la empresa ICIL ICAFAL S.A. Se realizan trabajos de mantención del puente Toltén (aplicación de pintura de protección anticorrosiva), en la cual se detectan daños estructurales: grieta en la mampostería de estribo sur oriente, 2 tirantes cortados, 12 tirantes dañados y diagonal cortada. Se realizan trabajos reparación de estructuras dañadas: reemplazo de 14 tirantes (2 tirantes cortados y 12 tirantes dañados), reparación de muro de ala y mesa de apoyo del estribo sur.

5.1.2 Estudios de ingeniería, rehabilitación y refuerzo del puente a.

Estructura existente

En los planos de la estructura existente realizados por APIA XXI (antecedentes Nº 39 al Nº 41) se indican elevaciones y secciones del puente mostrando los perfiles que componen la superestructura. Estos planos no incluyen antecedentes de las cepas, ni cotas que indiquen distancias generales de la estructura. b.

Proyecto de Rehabilitación

En el antecedente Nº 4, APIA XXI determinan los daños observados en la estructura post terremoto 2010, y luego determina los elementos cuya reparación y refuerzo es necesaria para alcanzar, al menos, la condición de carga de tren tipo B. El estudio señala que la estructura presenta problemas locales de fractura y corrosión de algunos elementos. Se indica que los tensores poseen corrosión media a alta, al igual que la parte inferior del enrejado en zonas de uniones en contacto con el terreno, mientras que el resto de la estructura posee una corrosión leve a media. Adicionalmente, el estudio indica que las pilas sumergidas en el río no presentan socavación en las fundaciones, sin embargo, no se adjunta un antecedente que respalde tal afirmación.

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Finalmente, el estudio propone el remplazo de una diagonal inferior fracturada, la incorporación de pletinas de refuerzo en las alas de las cuerdas superior e inferior de los tramos dobles, y la reparación del estribo sur poniente ante la presencia de una grieta. En la Figura 5.1 se muestra un esquema de la ubicación de los refuerzos de las cuerdas superiores e inferiores de las vigas enrejadas de tramos dobles. Zonas reforzadas

Zonas reforzadas

Figura 5.1: Zonas de Tramos dobles reforzados El estudio no propone el refuerzo del tramo simple Nº 5, ni la reparación de las zonas con corrosión alta, sólo indica procedimientos de aplicación de pintura de protección para toda la estructura. Por otro lado, en la base de cálculo de este estudio, no se indican las propiedades mecánicas consideradas para el material existente ni las propiedades del acero de refuerzo ni de sus conectores. En los planos del proyecto de rehabilitación (antecedentes Nº 42 al Nº 45) se indica lo siguiente: Sectores de refuerzo con pletina en las cuerdas superior e inferior de los tramos dobles. Acero utilizado en la modelación tiene una fluencia de 2200 kg/cm2. Acero estructural tipo ASTM A36, para perfiles plegados en caliente, con fluencia mínima de 2500 kg/cm2. Hormigón tipo H30 para refuerzo lateral de estribo. Acero de refuerzo tipo A63 – 42H. Perfil de reemplazo de diagonal T 115x70x9x9 o T 150x100x12x8. Pletina de refuerzo PL 9830x400x10. 5.1.3 Trenes de carga En los antecedentes Nº 11 y Nº 12 se presentan los distintos trenes de carga de diseño utilizados por EFE y trenes de carga para distintas disposiciones de trenada, para distintos tipos de locomotoras. En la Figura 5.2 se muestran los pesos por ejes del tren Tipo B empleado para el diseño actual de puentes, mientras que en la Figura 5.3 se muestran los pesos por ejes de la locomotora 2340 correspondiente a la locomotora que circulaba el día del colapso del puente.

Figura 5.2: Tren tipo B EFE.

Figura 5.3: Locomotora 2340.

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En el antecedente Nº 13 se define la composición de la trenada el día del colapso del puente (18/08/2016) como: Locomotora 2344 + 2 tolvas de caliza + 2 estanques con petróleo + 3 estanques con soda cáustica + 2 estanques con clorato de sodio + 41 carros cortina vacíos. En los registros de circulación del antecedente Nº 14, se presenta el detalle del número de vagones y locomotoras, el peso y longitud de cada tren que transitó por el puente Toltén entre las fechas 31/07/2016 y 18/08/2016 (día del colapso del puente). De la revisión de los registros de circulación tenidos a la vista, se observa que durante el 31 de julio y el 18 de agosto, existe una circulación de 1 a 4 trenes por día sobre el puente, teniendo configuraciones de trenada que consideran 1 o 2 locomotoras y 24 a 50 carros. Las locomotoras circulantes corresponden a locomotoras tipo 1800 (108tonf), 2340 (114tonf), 2350 (135tonf) y 2360 (peso desconocido), mientras que los carros alcanzan pesos de hasta 76.1tonf. 5.1.4 Planos estructurales del puente El antecedente Nº 15 corresponde a un plano de la estructura original del puente (ver Figura 5.4 y Figura 5.5) previo refuerzo con tirantes, donde se indican los niveles de la base de las distintas cepas (1898). De este plano se estimaron las coberturas de suelo (enterramiento) de las cepas del puente en el año 1898, las cuales se presentan en la Tabla 5.2. En particular la cepa N°4 presenta una cobertura del orden de 8.5 m.

N

N°1

N°2

N°3

N°4

Figura 5.4: Plano de estructura original del puente, cepas N°1, 2, 3, 4 y 5.

N°6

N°7

N°8

Figura 5.5: Plano de estructura original del puente, cepas N°6, 7 y 8.

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N°5

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Tabla 5.2 Coberturas de suelo de acuerdo al plano de estructuras original (1896). Cepa

Longitud total (m)

N°1 N°2 N°3 N°4 N°5 N°6 N°7 N°8

20.5 15.29 14.79 16.45 17.79 17.99 20.11 19.81

Pila Oriente (aguas arriba) Longitud libre media1 Cobertura de suelo (m) (m) 9.70 8.09 7.36 7.97 9.85 9.52 11.08 11.45

10.8 7.20 7.43 8.48 7.94 8.47 9.03 8.36

Longitud total (m) 21.56 15.11 15.02 16.85 17.89 18.30 20.77 20.20

Pila Poniente (aguas abajo) Longitud libre media1 Cobertura de suelo2 (m) (m) 9.70 8.09 7.36 7.94 9.85 9.95 11.08 11.45

11.86 7.02 7.66 8.91 8.04 8.35 9.69 8.75

Notas: (1) corresponde a la longitud media medida desde el extremo superior de las pilas hasta el nivel de terreno (seco o lecho del río)

Los antecedentes Nº 16 al Nº 23, corresponden planos estructurales generales y de detalles del proyecto de refuerzo del puente que implica la instalación del sistema de tirantes, que permite aumentar la capacidad del mismo, además, del refuerzo de las vigas longuerinas mediante la incorporación de un enrejado dispuesto inferiormente a las vigas (1928). Los antecedentes Nº 24 al Nº 36, corresponden a planos de detalle para la fabricación de piezas que componen el sistema de refuerzo de tirantes, que permite el aumento en la capacidad del puente (1930). Los antecedentes Nº 39 al Nº 41, presentan planos de la estructura existente, levantados por la empresa APIA XXI (2010). En estos planos se indican dimensiones generales y los perfiles constituyentes de cada elemento de la estructura en la condición post sismo 2010. Los antecedentes Nº 42 al Nº 45, corresponden a planos de rehabilitación, donde se indican las zonas a reforzar y reparar para resistir un tren de carga tipo B (2010). El antecedente Nº 54 corresponde un plano de la estructura actual del puente (2016), incluyendo alturas de cepas y distancias de tramos entre cepas. 5.1.5 Normas y otros documentos a.

Norma EFE de diseño de puente

El antecedente N°55 corresponde a la norma de EFE NT-01-02-01 -Norma técnica de diseño de puentes ferroviarios, la cual especifica el cálculo de las tensiones admisibles de los elementos estructurales de puentes. Las disposiciones indicadas en la norma EFE se basan en la norma AREMA, American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (antecedente N°56). b.

Peso del contrapeso

El antecedente N°77, entregado por EFE, indica una estimación del peso de los contrapesos ubicados en el estribo sur del puente. A partir de los planos originales del contrapeso, los cuales indican que estos se componen de placas de acero dispuestas ordenadamente y la incorporación de mortero para rellenar los huecos, se estima un peso de 42500 kgf para cada contrapeso.

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c.

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Refuerzo de Puentes Metálicos en los FF.CC. Del E. (Chile)

El antecedente Nº 58 corresponde al libro “Refuerzo de Puentes Metálicos en los FF. CC. Del E. (Chile)”, elaborado por Julio Tapia Cabezas, Ingeniero Civil, jefe de cálculo de puentes de los FF. CC. Del E. (Chile) en 1945, el cual se orienta al estudio de puentes ferroviarios construidos a finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX. En este documento se indica que la mayoría de los puentes ferroviarios metálicos construidos en Chile hasta esas fechas, fueron diseñados y construidos por la compañía francesa Schneider & Creuzot, y que el reforzamiento de dichos puentes comenzó a tomar importancia en el año 1918, con motivo de la adquisición de nuevas locomotoras de mayores cargas que las originales, las que tenían cargas por ejes del orden de 14tonf y que en el año 1941 llegaron a 25tonf. El documento indica que en otros puentes metálicos diseñados y construidos por la misma compañía francesa Schneider & Creuzot, en la misma década, se usaron aceros con límites de fluencia entre 210 MPa y 220 MPa y límites de rotura entre 250 MPa y 310 MPa. Respecto al puente Toltén, el documento indica que originalmente fue diseñado para resistir 4000 kgf por metro lineal, y que fue reforzado en una campaña masiva de refuerzo de puentes ubicados desde Temuco al Sur a partir del año 1926. Respecto a los tipos de refuerzos, el documento señala 9 tipos de refuerzo distintos empleados en dichos años (refuerzo “tipo A” hasta refuerzo “tipo I”), los cuales consideraron la incorporación de apoyos y de vigas, unión de elementos, incorporación de enrejados superiores e inferiores, generación de marcos rígidos y sistemas de atirantamiento. Respecto al sistema de atirantamiento, se tiene antecedentes que el puente Maule, de 400 m de largo con tramos de 50 m y 60 m, fue uno de los primeros puentes que se reforzó mediante un sistema de atirantamiento con contrapesos en los estribos, lo que en su momento fue ampliamente criticado por no tener experiencia ni certeza de su comportamiento, lo que finalmente se aceptó sólo como refuerzo provisional, fijándolo en 10 años de duración. El refuerzo empleado para el puente Toltén corresponde al denominado refuerzo “tipo F”, similar al empleado en el puente Maule, pero suprimiendo un contrapeso y poniendo en su lugar un anclaje. Este refuerzo consiste en colocar una cadena con tensión, que por medio de tirantes en tensión (tracción) convierten al puente en una especie de “puente suspendido”. El documento indica que este tipo de refuerzo es de carácter provisional y no se recomienda, ya que su efectividad depende del funcionamiento del contrapeso, lo cual requiere una continua inspección, además, la eventual cortadura de tirantes genera problemas de cambios de tensiones y fallas en los puntos de apoyo del contrapeso. Un punto crítico de este tipo de refuerzo es la conexión de los tirantes a la cadena y viga, ya que el tirante debe ser rotulado en sus dos extremos, de modo que no se generen esfuerzos excesivos en estos puntos. Respecto de esto último, el documento señala que se ha producido el corte reiterado de tirantes del puente Toltén. 5.1.6 Informe de topobatimetría post colapso El antecedente Nº 72 muestra una serie de perfiles topo-batimétricos transversales al río Toltén, aguas arriba y aguas abajo del puente colapsado, donde se puede obtener la topografía del terreno y profundidad del río. En particular se obtiene un perfil topo – batimétrico a 11 m aguas abajo del eje del puente.

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5.2 Inspección en terreno de la estructura 5.2.1

Inspección general

En los días 19 y 20 de agosto de 2016 se realizó la inspección del puente ferroviario Toltén (junto con el levantamiento geométrico a través de escáner láser 3D), cuyo principal objetivo fue constatar la forma general de la falla del puente, mediante un levantamiento de los daños de los principales elementos y registrando las características relevantes del colapso, apoyada con un registro fotográfico. Destaca a primera vista el colapso de 3 tramos de los 9 que posee el puente (tramos Nº 3, Nº 4 y Nº 5), junto con la falla de la cepa Nº 4, que apoya los tramos Nº 4 y Nº 5, y cuyas 2 pilas quedaron bajo agua, además, la estructura de refuerzo (sistema de atirantamiento) del puente sufrió diversos daños a lo largo del puente. En las Figura 5.6 y Figura 5.7 se muestran vistas generales de la posición en la que quedó el puente, extraídas desde los videos de drones proporcionados por EFE.

(a) (b) Figura 5.6: Vista aérea general: a) sur- poniente; b) aérea superior.

Figura 5.7: Vista aérea poniente. De lo visto en terreno, es claro el colapso de la cepa Nº 4, la cual correspondía a la primera cepa que se ubicaba en el cauce desde la rivera norte en la actualidad. Del tren de carga que transitaba desde el norte hacia el sur, cayeron al lecho del rio los vagones Nº 3 al 9, que correspondían a los que llevaban mayores cargas, quedando los dos primeros vagones en el tramo Nº 6, y los restantes vagones que iban sin carga en los tramos del lado norte. Al momento de la inspección, la locomotora

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se había trasladado fuera del puente, en el terraplén de acceso sur. En la Figura 5.8 se presentan vistas generales de los tramos colapsados por el costado oriente y poniente.

(a) (b) Figura 5.8: Vista general: a) oriente; b) poniente zona colapsada. Los tramos Nº 4 y Nº 5 quedaron parcialmente apoyados en las cepas Nº 3 y Nº 5, respectivamente, y con aproximadamente la mitad de su extensión bajo agua; se aprecia que la parte superior de estos tramos se torció hacia el poniente, salvo el tramo Nº 4 al llegar a la cepa Nº 3, donde se aprecia una torsión en sentido contrario, además, se observa un corrimiento lateral de los tramos en el sentido del flujo. En la Figura 5.9 se muestra una vista general de los tramos Nº 4 y Nº 5.

Figura 5.9: Vista poniente tramos Nº 4 y Nº 5. El tramo Nº 5, que correspondía al tramo simplemente apoyado, si bien sufrió deformaciones severas, no se evidencia en su porción visible fracturas de los elementos principales de la viga enrejada (en las inspecciones posteriores se evidenció una fractura en dicho segmento). Sobre la cepa Nº 5 la torre que sostiene las cadenas de refuerzo del lado norte (contigua al tramo Nº 5) se salió de su apoyo rotulado simple, por lo que quedó colgada de la torre adyacente. En las Figura 5.10 y Figura 5.11 se muestra el tramo Nº 5 al llegar a la cepa Nº 5.

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(a) (b) Figura 5.10: Vista: a) superior poniente cepa Nº 5; b) oriente de tramo Nº 5 al llegar a cepa Nº 5.

Figura 5.11: Vista frontal tramo Nº 5 al llegar a cepa Nº 5. El tramo Nº 4, que pertenece al tramo doble con apoyo central en la cepa Nº 3, presenta mayores deformaciones e incluso fracturas múltiples en sus elementos principales. En efecto, este tramo muestra una gran deformación por torsión, la que cambia de dirección al llegar a la cepa Nº 3. También, en este extremo se aprecian fracturas a nivel de la cuerda superior, cuerda inferior (atribuibles al impacto de la caída) y diagonales que conectan ambas cuerdas. En la Figura 5.12 se muestra una vista superior con la torsión del tramo y la presencia de un par de vagones. En la Figura 5.13 se aprecia que la fractura principal del costado oriente en el apoyo de la cepa Nº 3 se produjo por el norte (tramo Nº 3), sin embargo, en la Figura 5.14 se observa que la fractura principal del costado poniente en el mismo apoyo se produjo por el sur, es decir, en el tramo Nº 4.

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(a)

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(b) Figura 5.12: Vista superior: a) tramo Nº 4; b) norte tramo Nº 4.

(a) (b) Figura 5.13: a) Vista superior oriente tramo Nº 4, cepa Nº 3 y tramo Nº 3; b) vista oriente tramo Nº 4, cepa Nº 3 y tramo Nº 3.

Figura 5.14: Vista poniente tramo Nº4 y cepa Nº 3.

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La torre sobre la cepa Nº 3 cayó hacia el lado oriente del puente, como se aprecia en la Figura 5.13, presentando una deformación por torsión en la viga que conecta ambas columnas y llevando consigo las cadenas de refuerzo y, por lo tanto, cortando los tirantes que conectan las cadenas de refuerzo con las vigas enrejadas de los tramos. El tramo Nº 3 colapsó en su extremo sur al llegar a la cepa Nº 3, donde se presentan múltiples fracturas en sus elementos principales, generando una separación completa de la viga enrejada con el sector que se apoya en la cepa Nº 3. En la Figura 5.15 se muestran vistas generales oriente y poniente del tramo Nº 3, en tanto que en la Figura 5.16 se muestra una vista aérea del daño severo al llegar a la cepa Nº 3, y en la Figura 5.17 se muestran acercamientos de las zona de mayor daño en la proximidad de la cepa Nº 3, por los costados oriente y poniente respectivamente.

(a) (b) Figura 5.15: a) Vista oriente tramo Nº 3, Nº 2 y Nº 1; b) vista poniente tramo Nº 3, Nº 2 y Nº 1.

(a) (b) Figura 5.16: a) Vista superior tramo Nº 3, al llegar a cepa 3; b) vista oriente tramo Nº 3 al llegar a cepa Nº 3.

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Figura 5.17: Vista poniente tramo Nº 3 al llegar a cepa Nº 3. La torre sur sobre la cepa Nº 2 se salió de su posición desplazándose la viga enrejada hacia el poniente, y cayendo uno de los apoyos móviles. En la Figura 5.18 se aprecia lo mencionado.

Figura 5.18: Vista oriente cepa Nº 2. En el tramo Nº 1 la columna oriente de la torre sobre el estribo se salió de su posición, generándose un giro lateral de la torre, como se aprecia en la Figura 5.19.

Figura 5.19: Torre estribo norte.

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Tanto en el tramo Nº 1 como en el tramo Nº 2, se presentan varios tirantes cortados frágilmente, en particular los más cortos; también se observan tirantes deformados debido a la imposibilidad de desarrollar giro en sus extremos, esta situación se aprecia en la Figura 5.20.

(a) (b) Figura 5.20: a) Tirante cortado tramo Nº 1 lado poniente; b) Tirantes cortados y deformados en tramo Nº 2. En los tramos del sector sur también se observan tirantes cortados, pero con menor recurrencia. Como consecuencia del colapso de los tramos centrales, del corte de tirantes y de la caída de algunas torres, las cadenas de refuerzo de ambos costados del puente se destensaron y las torres se giraron o se salieron de su posición. 5.2.2

Levantamiento de daños de la superestructura

Los días 23, 24 y 25 de noviembre, se realizó una inspección específica de la superestructura del puente, con el objetivo de levantar daños presentes en ella. La inspección fue realizada en los tramos no colapsados N°1, 2, 6, 7, 8 y 9, y en los tramos colapsados N°3 y la porción en tierra del tramo N°4. El tramo N°3 fue fraccionado y retirado del puente, y sus secciones fueron acopiadas en la ribera norte del río. En la Figura 5.21 se presentan los tramos enumerados de norte a sur. T1

T2

T6

T7

T8

Norte

T9

Sur Figura 5.21: Esquema del puente al momento de la inspección, vista poniente.

En la Figura 5.22 se presenta un tramo representativo del puente. Cada uno de los 9 tramos del puente se encuentran constituidos por 13 montantes, ver Figura 5.22, los montantes a su vez son coincidentes con las vigas transversales (TR) que unen las cuerdas superiores, las cuales fueron enumeradas de norte a sur.

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Sur

Norte

TR0

TR1

TR2

TR3

TR4

TR5

TR6

TR7

TR8

TR9

TR10

TR11

TR12

Figura 5.22: Imagen del tramo 2, vista poniente. Durante la inspección se detectaron grietas incipientes de longitudes del orden de 5 cm a 10 cm en algunas de las vigas transversales de los tramos no colapsados N°1, 2, 8 y 9, y en el tramo colapsado N°4, las cuales pueden ser indicios de fatiga local. Tales grietas se ubican en zonas coincidentes, pero con extensiones y orientaciones variables. En la Figura 5.23 se presenta un esquema general del puente, en el que se indica la ubicación general de las grietas. La Figura 5.24 a presenta un esquema indicando la ubicación del daño tipo encontrado y en la Figura 5.24b se presenta una fotografía representativa del daño. El detalle de la ubicación y número de las grietas encontradas, se presentan en el Anexo C.

Figura 5.23: Esquema general de ubicación de grietas encontradas en las vigas transversales superiores.

Zona de ubicación de grietas

a

b

Figura 5.24: Grietas encontradas en las vigas transversales superiores: a) ubicación; b) grieta en viga transversal. Dichas grietas no tendrían incidencia en el colapso del puente debido a la zona donde se ubican las mismas y la forma de colapso del puente.

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5.2.3

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Levantamiento de daños de los tramos colapsados

El levantamiento de daños de los tramos N°3, N°4 y N°5 que colapsaron se realizó por etapas, debido a que fue necesario seccionar (mediante cortes) estos tramos para su retiro. Adicionalmente, se tuvo que realizar una remoción secuencial y planificada de los carros y parte de la estructura que quedaron en el lecho del río, lo que significó la ejecución de importantes obras de desvío del rio en torno a las cepas N°4 y N°5. La inspección de daños se realizó en los meses de septiembre y noviembre del 2016, y en abril de 2017, mes en el cual se concluyeron las actividades indicadas anteriormente. Dado que durante el colapso de la estructura, en general, se presentan fallas principales o iniciales (origen del colapso), y posteriormente se producen daños o fallas secundarias, que pueden ser a consecuencia de redistribución de esfuerzos o impactos entre partes de la estructura o impactos contra el suelo, fue necesario hacer un reconocimiento general inicial de los diversos daños o fallas, para luego determinar cuáles de éstos son de importancia para establecer el mecanismo de colapso. Considerando lo anterior, se estableció que los daños más importantes y reiterativos corresponden a fracturas de los elementos principales de las vigas enrejadas, es decir, la cuerda inferior y la cuerda superior. También, se observaron fracturas y deformaciones en los elementos diagonales, sin embargo, no se detectó que estos sean generalizados, ni que hayan podido generar el colapso de la superestructura. Respecto a los montantes, en general, no presentan daños, salvo algunos pandeos debido al impacto de la superestructura contra el suelo, daños que se incrementaron con la presencia de los carros sobre la superestructura, siendo los carros que transportaban mayor carga los que se encontraban sobre los tramos N°4 y N°5. Por otra parte, se observaron algunos daños en las vigas transversales superiores y vigas longuerinas, sin embargo, tales daños localizados serían fallas secundarias (post colapso). A continuación, se presenta el registro de los daños de los elementos principales de los tramos N°3, N°4 y N°5, ordenadas según el tramo y sus módulos, diferenciando entre las vigas enrejadas del lado oriente (aguas arriba) y las vigas enrejadas del lado poniente (aguas abajo), y si están en la cuerda inferior o cuerda superior, además, se detalla si las fracturas son completas o parciales, es decir, si comprometen o no toda la sección del elemento. En la Figura 5.25 se presentan ejemplos de los tipos de daños en los elementos principales: fracturas totales y fracturas parciales.

(a) (b) Figura 5.25: Tipos de fracturas: a) fractura total – tramo 4 - modulo 3 – viga poniente - cuerda inferior; b) fractura parcial – tramo 4 – módulo 4 – viga poniente – cuerda inferior (la estructura se encuentra invertida).

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Tramo 3 En la Figura 5.26 se presentan los principales daños, tanto para la viga enrejada del lado oriente como del lado poniente del tramo N°3, los cuales se resumen en la Tabla 5.3. Los daños se concentran en la zona cercana a la cepa N°3, la cual es el punto de apoyo central de los tramos N°3 y N°4 los cuales conforman un tramo doble.

CEPA N°3

CEPA N°2

(a)

CEPA N°3

CEPA N°2

(b) Figura 5.26: Esquemas de fracturas de las cuerdas superior e inferior del tramo 3: a) elevación oriente; b) elevación poniente.

Tramo

T3

Total T3

Tabla 5.3: Registro de fracturas de elementos principales del tramo T3 Viga Oriente Viga Poniente Módulo C inferior C superior Total C inferior C superior Total 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FT

FP

2

FT

FT

2

2

2

4

VO + VP

FP

1

3

FP FT

FT/FP

1 3

1 3 2

2

3

5

9

FT= Fractura total; FP= Fractura parcial

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Tramo 4 En la Figura 5.27 se presentan los principales daños, tanto para la viga enrejada del lado oriente como del lado poniente del tramo N°4, los cuales se resumen en la Tabla 5.4. Los daños se concentran en la zona cercana a la cepa N°3, la cual es el punto de apoyo central de los tramos N°3 y N°4 los cuales conforman un tramo doble, y en la cara poniente cercana a la cepa N°4 (colapsada).

CEPA N°3

CEPA N°4 (a)

CEPA N°3

CEPA N°4

(b)

Figura 5.27: Esquemas de fracturas de las cuerdas superior e inferior del tramo 4: a) elevación oriente; b) elevación poniente.

Tramo

T4

Total T4

Tabla 5.4: Registro de fracturas de elementos principales del tramo T4 Viga Oriente Viga Poniente Módulo C inferior C superior Total C inferior C superior Total 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FT

1

FT FP

1

2

FT/FP

FT/FP

4

4

FT FP

FP FP

2 2

3 2

FT

1

2 1

FT FP

FT FT

2 2

2 2

6

7

13

16

1 1

3

VO + VP

FT= Fractura total; FP= Fractura parcial

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Tramo 5 En la Figura 5.28 se presentan los principales daños, tanto para la viga enrejada del lado oriente como del lado poniente del tramo N°5, los cuales se resumen en la Tabla 5.5. Los daños no se ven tan concentrados como en los tramos N°3 y N°4, sino más distribuidos a lo largo del tramo.

CEPA N°4

CEPA N°5

(a)

CEPA N°4

CEPA N°5

(b) Figura 5.28: Esquemas de fracturas de las cuerdas superior e inferior del tramo 5: a) elevación oriente; b) elevación poniente.

Tramo

T5

Total T5

Tabla 5.5: Registro de fracturas de elementos principales del tramo T5 Viga Oriente Viga Poniente Módulo C inferior C superior Total C inferior C superior Total 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FT FT

FT

1

FT FT

2 2

2 2

1 1

1 1

FP FP

FT

FT

FT

4

3

7

2

1

2

VO + VP

3

1

1

3

10

FT= Fractura total; FP= Fractura parcial

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Se observa una concentración de fracturas en las vigas enrejadas en la proximidad de la cepa N°3 y en la proximidad de la cepa N°4 (colapsada), siendo mayor la cantidad de fracturas en torno a la cepa N°3. También, se puede apreciar que la cantidad de fracturas de los tramos N°3 y N°5 es casi nula al llegar a las cepas N°2 y N°5, respectivamente. Otro aspecto a destacar es que la viga enrejada del tramo N°4 es la que presenta la mayor cantidad de fracturas, en particular en su lado poniente. En la Figura 5.29 se presenta un esquema de los tramos N°4 y N°5, indicando la zona que fue rescatada debajo del agua y que se inspeccionó, en las cuales se concentraron los mayores daños, los que corresponden a los módulos N°9, 10, 11 y 12 los módulos N°1 y 2 del tramo N°4 y 5 respectivamente.

CEPA N°3

CEPA N°4

CEPA N°5

Figura 5.29: Elevación oriente de los tramos N°4 y N°5. La Figura 5.30 y Figura 5.31 muestran los módulos N°9, 10, 11 y 12 del tramo N°4, el cual se encuentra invertido (cuerda superior abajo y la cuerda superior abajo), donde se observan los daños, principalmente en el módulo N°12, el cual se deformó, posiblemente al caer sobre las cepas ya volcadas, produciendo deformaciones transversales y daños localizados importantes en las vigas enrejadas principalmente en el módulo N°12. MÓDULO N°12

MÓDULO N°10 MÓDULO N°9

CUERDA INFEIROR

CUERDA SUPERIOR MÓDULO N°11

Figura 5.30: Elevación poniente de los de los módulos N°9, 10, 11 y 12 del tramo N°4.

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CUERDA INFEIROR

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MÓDULO N°10

MÓDULO N°12

CUERDA SUPERIOR

MÓDULO N°9

Figura 5.31: Elevación oriente de los de los módulos N°9, 10, 11 y 12 del tramo N°4. En las Figura 5.32 y Figura 5.33 se presenta una parte de los módulos N°1 y N°2 del tramo N°5, donde se puede identificar la deformación del módulo N°1 producida eventualmente al caer sobre las cepas ya volcadas, produciendo deformaciones transversales y daños localizados importantes en las vigas enrejadas. MÓDULO N°1

Figura 5.32: Elevación poniente de módulo N°1 del tramo N°5.

PARTE DEL MÓDULO N°2

MÓDULO N°1

Figura 5.33: Elevación oriente de módulo N°1 y N°2 del tramo N°5.

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Posteriormente en el análisis de los resultados se realizará la interpretación de la ubicación y tipo de fracturas con el mecanismo de colapso. El detalle del levantamiento de daños de la zona colapsada se presenta en el Anexo C. 5.2.4

Inspección subacuática de las pilas colapsadas

En la inspección subacuática realizada los días 11 y 12 de abril de 2017, a cargo de la empresa Skyring Marine, en la zona del colapso del puente, permitió observar las condiciones, ubicación y orientación de las pilas oriente y poniente de la cepa N°4 en el lecho del río. La inspección fue realizada por buzos especializados y fue registrada y transmitida en tiempo real a la superficie mediante un video. En la Figura 5.34 se presenta un esquema de la condición en que se encontraron las pilas de la cepa N°4, donde se puede observar, a modo general, que la pila poniente esta íntegra, mientras que la pila oriente se encuentra seccionada en dos trozos de longitud similar. Este esquema se toma como referencia para describir los hallazgos más importantes realizados en la inspección. 4 1

3 2

SENTIDO DEL FLUJO DEL RIO TOLTÉN

TE RR AP LÉ N

Figura 5.34: Esquema en planta de la ubicación y orientación de las pilas de la cepa N°4 en el lecho del río. En la Figura 5.35 es posible observar el hallazgo N°1 indicado en Figura 5.34, en donde se ve el extremo inferior de la camisa de acero sin daños y el hormigón simple que se extiende fuera de la camisa entre 25 cm y 30 cm (posiblemente producto del método constructivo). Lo anterior indica que la pila poniente volcó hacia aguas abajo íntegramente, sin presentar fallas en su estructura, pivoteando sobre su fundación o base. Extremo de la camisa de acero sin daños

(a)

Hormigón 25 cm – 30 cm

(b) Figura 5.35: Base de la pila poniente.

Hormigón 25 cm – 30 cm

(c)

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En la Figura 5.36 es posible observar el hallazgo N°2 indicado en la Figura 5.34, donde se muestra la parte superior de la pila poniente, en la cual se observa la terminación típica de la camisa de acero y la placa de acero central donde se ubican los apoyos de los tramos N°4 y N°5 del puente. Lo anterior confirma el hecho que esta pila volcó hacia aguas abajo. Extremo superior de la camisa de acero sin daños (Se observa la terminación típica de la camisa)

Placa central de acero (Donde se ubican los apoyos de la superestructura)

Hormigón de relleno

(a)

(b) Figura 5.36: Parte superior de la cepa N°4 poniente.

En la Figura 5.37 se muestra el hallazgo N°3 indicado en la Figura 5.34, donde se aprecia una abertura local de la camisa de acero de la pila poniente, localizada a 8 m desde la base de la pila. Se observa la rotura o desprendimiento de los remaches de unión de las planchas de la camisa. No obstante lo anterior, el núcleo de hormigón y el resto del perímetro de la camisa de acero se aprecian íntegras. Se estima que este daño fue producto de la caída de las pilas y el impacto entre ellas.

Abertura de la camisa de acero en la zona de remaches

Hormigón de relleno a la vista

Figura 5.37: Abertura en la pila poniente. En la Figura 5.38 se muestra el hallazgo N°4 indicado en la Figura 5.34, donde se muestra la zona de la fractura intermedia de la pila oriente, producida en la zona de conexión con remaches entre planchas de la camisa de acero, con el corte de los remaches y una deformación local por desgarramiento de la camisa de acero. La fractura de la pila se ubica aproximadamente a 8 m medidos desde la parte superior de ésta.

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(a)

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(b) Figura 5.38: Fractura de la pila oriente.

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(c)

5.3 Caracterización geométrica mediante escáner láser 3D Se realizó un levantamiento dimensional del puente mediante escáner láser 3D, en las condiciones en que quedó posterior a su colapso. La Figura 5.39, Figura 5.40 y Figura 5.41 muestra una elevación longitudinal poniente, una elevación longitudinal oriente y una planta del puente realizada con el escáner laser, respectivamente.

Figura 5.39: Elevación longitudinal obtenida del levantamiento láser. Vista poniente.

Figura 5.40: Elevación longitudinal obtenida del levantamiento láser. Vista oriente.

Figura 5.41: Planta obtenida del levantamiento láser. Del levantamiento láser fue posible establecer el estado post colapso del puente en las zonas sobre el nivel del agua, además, se obtuvieron las dimensiones generales del puente, así como las desviaciones de las pilas y deformaciones de los tramos de la estructura. Se tiene que las pilas de las cepas Nº 1 a la Nº 3 (ubicadas al norte de los tramos colapsados) poseen desviaciones transversales y longitudinales, respecto del eje del puente, de hasta 5.5 cm respecto de una altura media de pila expuesta de 8 m, mientras que las pilas de las cepas Nº 5 a la Nº 8 (ubicadas al sur de los tramos colapsados) no presentan desviaciones significativas. La información detallada del levantamiento realizado mediante escáner láser se muestra en las fichas del Anexo B.

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5.4 Caracterización del material de la estructura Con el objetivo caracterizar el material de fabricación de los elementos estructurales de la superestructura que componen el puente y de caracterizar la fractura de los elementos fallados se realizaron ensayos de laboratorio de muestras extraídas de los tramos colapsados. 5.4.1

Ubicación de muestras en el puente

Las muestras fueron extraídas de los tramos Nº 3 y Nº 4 del puente (ver Figura 5.42). T-3

T-4

Figura 5.42: Vista poniente puente. La ubicación de las muestras en los tramos indicados, se presenta en las Figura 5.43 y Figura 5.44.

T4M1PS T4M1PD

T3M11PS T4M1PI

Figura 5.43: Vista poniente tramo Nº 3 - 4 del puente, donde se indica la ubicación de las muestras extraídas.

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T3M2-3DT

T3M1-2OMON T3M3OI T3M7OD

T3M3OD

T3M7OI

Figura 5.44: Vista poniente tramo Nº 3 del puente, donde se indica la ubicación de las muestras extraídas. Las muestras extraídas se indican según la siguiente nomenclatura: Ti Mj O S P I D DT MON

Donde: Ti: Tramo Nº i Mj: Módulo Nº j O: Orientación Oriente P: Orientación Poniente

S: Cuerda superior I: Cuerda inferior D: Diagonal longitudinal DT: Diagonal transversal MON: Montante

Tramo Módulo

Elemento Orientación

En la Tabla 5.6 se presenta el detalle de la nomenclatura utilizada para las muestras. También fueron extraídas muestras de los tirantes ubicados en el tramo Nº 3, de los cuales no se tiene la trazabilidad exacta de su ubicación. Tabla 5.6: Nomenclatura de las muestras extraídas. Muestra T3M1-2OMON T3M3OI T3M3OD T3M2-3DT T3M7OD T3M7OI T4M1PD T4M1PI T3M11PS T4M1PS Tirante 1 Tirante 2 Tirante 3

Tramo Nº 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 3 3 3

Módulo Nº 1a2 3 3 2a3 7 7 1 1 11 1 ----

Orientación Oriente Oriente Oriente Transversal Oriente Oriente Poniente Poniente Poniente Poniente ----

Elemento Montante Cuerda inferior Diagonal Diagonal Diagonal Cuerda inferior Diagonal Cuerda inferior Cuerda superior Cuerda superior Tirante Tirante Tirante

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Estado1 Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Fracturada Fracturada Fracturada Fracturada Fracturada Fracturada Ensayo Ensayo Fracturada

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Muestra Tramo Nº Módulo Nº Orientación Tirante 4 (T2 470) 3 --Tirante 5 (T1 290 (T3)) 3 --Tirante 6 3 --(1) Muestras utilizadas para caracterizar material o fractura.

Elemento Tirante Tirante Tirante

En la Figura 5.45 y Figura 5.46 se presentan las muestras extraídas de la estructura del puente.

(a) (b) Figura 5.45: Muestras recibidas para los ensayos de laboratorio.

Tirante 4 Tirante 5 Tirante 3 Tirante 2 Tirante 1 Tirante 6

Figura 5.46: Muestras recibidas para los ensayos de laboratorio.

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Estado1 Ensayo Ensayo Fracturada

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5.4.2

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Ensayos de laboratorio realizados

En la Tabla 5.7 se presentan los ensayos realizados Tabla 5.7: Detalle de los ensayos realizados. Ensayos Probeta

Análisis químico

Ensayo de tracción

Análisis metalográfico

Ensayo de tenacidad al impacto de Charpy

T3M3OD (T1) T3M2-3DT (T2) T3M1-2OMON (T3) T3M3OI (T4) Tirante 1 (T5) Tirante 4 (T6)

5.4.3

Resumen de los resultados de ensayos

De los ensayos de tenacidad al impacto de Charpy realizados se tiene que los valores de energía absorbidos indican que el acero tiene un comportamiento frágil bajo cargas de impacto, a temperaturas de -20 °C indicado en la norma ASSTHO. Lo anterior está acorde a la composición química y microestructura observada de las muestras donde se observó contenidos de Fósforo, Azufre más elevados y contenidos de Manganeso relativamente bajos en proporción al Carbono, lo que provoca una disminución en la tenacidad. De las micrografías se observó un acero con la presencia de inclusiones no metálicas y escoria lo que afecta a la tenacidad del mismo. Junto a lo anterior, se tiene que las muestras del tramo N°3 de la estructura (cuerdas, montantes y diagonales) corresponden a aceros del tipo hierro pudelado, estando su composición química y propiedades mecánicas dentro del rango esperado para este tipo de materiales. De los resultados de los ensayos a una muestra de un tirante de sección octogonal se infiere que este material corresponde a un acero al carbono, que se asemeja a aceros estructurales de uso moderno. Los valores obtenidos de tensión de fluencia de las muestras ensayadas se encuentran en el rango de 271 MPa y 362 MPa. En el Anexo F se presenta el detalle de los resultados de cada uno de los ensayos realizados a las muestras extraídas de los tramos colapsados del puente.

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5.5 Análisis estructural A continuación, se presenta el análisis estructural del tramo simple y tramo doble del puente Toltén. 5.5.1

Análisis estructural inicial

Con el objetivo de comprender el mecanismo de trabajo del puente, se realizó un análisis en base a modelos simplificados de éste, considerando el peso del tren y sin considerarlo, antes y después del refuerzo de tirantes, y para la condición de falla. El mecanismo de trabajo del puente bajo el estado de carga del tren y sin carga, tanto para el tramo simples como para los tramos dobles, se observa cómo afecta a la superestructura el paso de un tren de carga, el efecto del contrapeso y la incorporación del sistema de tirantes. En la Tabla 5.8 se presentan los diagramas de momento flector para los modelos simplificados, de los distintos casos analizados. Tabla 5.8: Diagramas de momento para modelos simplificados. Caso N°

Tramo / Condición

01

Simple / Sin tirantes

02

Simple / Con tirantes

03

Doble / Sin tirantes

04

Doble / Con tirantes

Diagrama de momento Caso A: Sin tren

Caso B: Envolvente paso de tren

Caso N°1 - A: El puente se ve sometido a un momento flector positivo debido a la acción del peso propio. Caso N°1 - B: El paso del tren genera fluctuaciones en el diagrama de momentos en el puente. En azul se presenta el envolvente de momento, el cual tiene como momento mínimo el producido por la acción del peso propio y como momento máximo, el producido por el paso del tren. Caso N°2 - A: El puente se ve sometido a un momento flector negativo debido a la acción del contrapeso, la cual es superior a la acción del peso propio. Caso N°2 - B: El paso del tren genera fluctuaciones en el diagrama de momentos en el puente. En azul se presenta el envolvente de momento, el cual tiene como momento mínimo el producido por la acción del contrapeso y como momento máximo, el producido por el paso del tren, en este caso pasa de momento negativo (efecto del contrapeso sin paso del tren) a momento positivo (efecto del paso del tren). Caso N°3 - A: El puente se ve sometido a un momento flector positivo en los 2 vanos y un momento negativo en el apoyo central, debido a la acción del peso propio. Caso N°3 - B: El paso del tren genera fluctuaciones en el diagrama de momentos en el puente. En azul se presenta el envolvente de momento. En el apoyo central se tiene el momento mínimo debido a la acción del paso del tren y el momento máximo debido a la acción del peso propio (momentos máximos y mínimos son negativos en el

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apoyo). En los vanos se producen los máximos y mínimos debido a la acción del paso del tren, los momentos en los vanos fluctúan de positivos a negativos. Caso N°4 - A: El puente se ve sometido a un momento flector negativo en los 2 vanos y un positivo en el apoyo central, debido a la acción del contrapeso. Caso N°4 - B: El paso del tren genera fluctuaciones en el diagrama de momentos en el puente. En azul se presenta el envolvente de momento. En el apoyo central se tiene el momento mínimo debido a la acción del contrapeso y el momento máximo debido a la acción del paso del tren (lo momentos fluctúan prácticamente en la zona de momento positivo). En los vanos se producen los máximos y mínimos momentos debido a la acción del paso del tren, los momentos fluctúan de negativos a positivos. Como resumen de este análisis, se tiene que la instalación del sistema de atirantamiento mediante contrapeso, invirtió los esfuerzos de trabajo en los elementos del puente, de modo que las cuerdas que trabajaban a tracción, pasan a trabajar a compresión y viceversa. 5.5.2

Análisis estructural específico

Con el fin de comprender el mecanismo de trabajo del puente en el caso que éste hubiese perdido el apoyo de la cepa N°4 por caída de la misma (posible causa del colapso), se realizó un análisis en base a modelos simplificados del tramo simple y del tramo doble, donde se evaluó bajo el estado de carga del tren y sin esta carga. En la Figura 5.47 y Figura 5.48 se presentan los diagramas de momento flector para los modelos simplificados, de los tramos dobles (N°3 – 4) y simple (N°5), considerando su condición de apoyo normal y en el caso de la pérdida de su apoyo (cepa N°4).

Figura 5.47: Diagramas de momento (envolvente) considerando el paso del tren, para modelos simplificados del puente sin pérdida de apoyo (cepa N°4).

Figura 5.48: Diagramas de momento (envolvente) considerando el paso del tren, para modelos simplificados del puente con pérdida de apoyo (cepa N°4). De este análisis se concluye que el paso del tren, considerando la pérdida de apoyo de la cepa N°4, produce que todo el tramo doble N°3-N°4 pase a trabajar con momento negativo, con un aumento significativo del momento máximo, del orden de 12 veces respecto de la condición con apoyo, generándose en la zona de apoyo de la cepa N°3, mientras que el tramo simple se transforma en un mecanismo sin posibilidad de tomar carga.

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5.5.3

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Análisis estructural 5.5.3.1 Materiales

De acuerdo a la información entregada por APIA XXI (antecedente N°5) y a los antecedentes históricos (antecedente N°55), las propiedades del acero se definen en la Tabla 5.9. Tabla 5.9: Propiedades nominales mecánicas de los materiales estructurales existentes. Elemento Acero

Propiedad

Símbolo

Valor

Unidad

Tensión de fluencia

𝑓𝑦

2200

kgf/cm2

Tensión de rotura Módulo de elasticidad

𝑓𝑢 𝐸𝑠

3100 2100000

kgf/cm2 kgf/cm2

Las tensiones de fluencia y de rotura obtenidos de los ensayos a la tracción de las muestras extraídas de la superestructura del puente, se encuentran en los rangos de 271 MPa a 362 MPa y de 344 MPa a 459 MPa, respectivamente, resultando mayores que las propiedades nominales indicadas, por lo que para el análisis estructural se consideraron estas últimas. 5.5.3.2 Definición de cargas y sobrecarga Los tipos de carga que se consideraron para el análisis estructural, considerando la condición de colapso, son los indicados en la Tabla 5.10. Tabla 5.10: Tipos de carga. Tipo de carga Sigla Cargas permanentes Tren de carga móvil a.

D L

Cargas permanentes (D)

Consiste en las cargas de peso propio de la superestructura metálica del puente más el peso del contrapeso. El valor de la carga del peso propio se estableció mediante una cubicación de los elementos estructurales en el software SAP2000. Las cargas permanentes consideradas son las indicadas en la Tabla 5.11. Tabla 5.11: Cargas permanentes. Tipo de carga

Valor

Unidad

Peso específico acero

7850

kgf/m3

Peso de cada contrapeso (uno por cada cadena, antecedente N°78)

42500

kgf

Rieles + durmientes (peso por cada viga longuerina)

270

kgf/m

Tubería de aguas servidas + vigas de apoyo (peso por modulo)

520

kgf/modulo

b.

Tren de carga móvil (L)

Para el análisis de la carga móvil del tren, se utilizó un tren de diseño tipo B y la configuración de la trenada del día del colapso (antecedente N°13). En la Figura 5.49 se muestran los pesos por ejes del tren de diseño tipo B de EFE, y en la Figura 5.50 se muestran los pesos por ejes del tren del día de colapso. Esta carga se modela como

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una carga móvil que transita a lo largo de todo el puente, lo cual permite obtener los resultados del modelo para una posición especifica del tren de carga en el puente o como una envolvente, el cual muestra las solicitaciones máximas y mínimas en los elementos en el tiempo.

Figura 5.49: Tren tipo B EFE.

Figura 5.50: Tren de carga para el día de colapso. 5.5.3.3 Combinaciones de carga Para el análisis y verificación de los elementos estructurales, se utilizó el método de tensiones admisibles Allowable Stress Design (ASD), el cual se realizó para la condición de servicio. La combinación de carga de servicio se presenta en la Tabla 5.12. Tabla 5.12: Factores de combinaciones de carga. Combinación Cargas de servicio

D

L

1.0

1.0

5.5.3.4 Modelo estructural Se elaboraron dos modelos computacionales con el software de elementos finitos SAP2000, dada la presencia de dos tipologías de tramos que componen el puente, uno simple, el cual tiene una luz de 50 m aproximadamente y presenta apoyos en sus extremos, y uno doble, el cual tiene una luz de 100 m aproximadamente, y presenta apoyos en sus extremos y en el centro. Ambas tipologías se modelaron considerando la condición actual de la estructura, a partir de los antecedentes originales del proyecto. La Figura 5.51 muestra una vista en perspectiva de los modelos tridimensionales de la estructura contemplada en el estudio.

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(a) (b) Figura 5.51: Vista isométrica del modelo en el software SAP2000: (a) tramo doble; (b) tramo simple. Para la confección de los modelos estructurales y la realización del análisis estructural, se utilizaron los perfiles descritos en los antecedentes N°39 – N°41. En la Tabla 5.13 se detallan los principales perfiles estructurales utilizados para el análisis estructural.

Elemento

Geometría

Tabla 5.13: Perfiles estructurales. Ubicación tramo doble

Ubicación tramo simple

Cuerda – 1

Cuerda – 2

Cuerda – 3

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N/A

Diagonal 1

Diagonal 2

Viga transversal

Tirantes

D=50mm

5.5.3.5 Análisis tensional Se determinan las tensiones obtenidas en las secciones de cada uno de los perfiles principales de la estructura, dados por la carga axial y la flexión obtenida en cada elemento para el caso sin la presencia de tren (Sin Tren), con el tren B de diseño (Tren B) y con el tren que transitó el día del colapso (Tren Falla). Cabe destacar que el caso con el tren B de diseño corresponde a la envolvente que considera el tren B en distintas posiciones, desde el inicio donde el tren aún no entra al puente (caso sin tren), hasta el final donde el tren sale del tramo en estudio. A continuación, se presenta el análisis de las tensiones obtenidas para las cuerdas superiores e inferiores (correspondientes a los elementos más críticos), tanto para el tramo doble como para el tramo simple, considerando el caso sin tren y el caso con el tren B de diseño. Para ambos tipos de tramos se define la nomenclatura de las caras del perfil analizado, de acuerdo a lo indicado en la Figura 5.52, en la cual se indican las fibras (cara A y cara B) a evaluar para las cuerdas del puente. El siguiente análisis presenta las tensiones de trabajo obtenidas para la fibra extrema del ala de las cuerdas (cara A).

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M22

M33

(a) (b) Figura 5.52: Nomenclaturas de secciones analizadas cuerdas -1, cuerdas -2 y cuerdas -3: (a) Caras; (b) momentos flectores. Tramo simple: a.

Cuerda superior (Figura 5.53):

-

En la Figura 5.54 se puede ver que las máximas tensiones a tracción se producen en la en la mitad de la luz aproximadamente debido a la condición sin tren, la cual coincide con las máximas tensiones para la combinación del tren B, esto debido a que el estado de tren B incluye el caso sin tren. Estas tracciones se producen por la acción del contrapeso a través de los tirantes.

-

En la Figura 5.54 se puede ver que las máximas tensiones a compresión se producen con el paso del tren, en la mitad de la luz aproximadamente.

Cuerda superior

Figura 5.53: Cuerda superior tramo simple.

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Figura 5.54: Tensiones en la cara A de la cuerda superior del tramo simple. b.

Cuerda inferior (Figura 5.55):

-

En la Figura 5.56 se puede ver que las máximas tensiones a tracción se producen con el paso del tren, en la mitad de la luz aproximadamente.

-

En la Figura 5.56 se puede ver que las máximas tensiones a compresión se producen en la en la mitad de la luz, aproximadamente, debido a la condición sin tren, la cual coincide con las máximas tensiones para la combinación del tren B, esto debido a que el estado de tren B incluye el caso sin tren. Estas tensiones se producen por la acción del contrapeso a través de los tirantes.

Cuerda inferior

Figura 5.55: Cuerda superior tramo simple.

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Figura 5.56: Tensiones en la cara A de la cuerda inferior del tramo simple. Tramo doble a.

Cuerda superior (Figura 5.57):

-

En la Figura 5.58 se puede ver que las mayores tensiones a tracción se producen con el paso del tren, en la mitad de las luces aproximadamente.

-

En la Figura 5.58 se puede ver que las máximas tensiones a compresión se producen en la zona del apoyo central, debido a la condición sin tren, la cual coincide con las máximas tensiones para la combinación del tren B, esto debido a que el estado de tren B incluye el caso sin tren. Estas tensiones se producen por la acción del contrapeso a través de los tirantes.

-

En la Figura 5.58 se puede ver que existen altas tensiones de compresión producto el paso del tren, aproximadamente en la mitad de las luces.

Cuerda superior

Figura 5.57: Cuerda superior tramo doble.

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Figura 5.58: Tensiones en la cara A de la cuerda superior del tramo doble. b.

Cuerda inferior (Figura 5.59):

-

En la Figura 5.60 se puede ver que las mayores tensiones a tracción se producen con el paso del tren, en la mitad de las luces aproximadamente.

-

En la Figura 5.60 se puede ver que las máximas tensiones a tracción se producen en la zona del apoyo central, debido a la condición sin tren, la cual coincide con las máximas tensiones para la combinación del tren B, esto debido a que el estado de tren B incluye el caso sin tren. Estas tensiones se producen por la acción del contrapeso a través de los tirantes.

-

En la Figura 5.60 se puede ver que existen altas tensiones de compresión producto el paso del tren, aproximadamente en la mitad de las luces.

Cuerda inferior

Figura 5.59: Cuerda inferior tramo doble.

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Figura 5.60: Tensiones en la cara A de la cuerda inferior del tramo doble. Como se pudo observar en el desarrollo anterior, las tensiones máximas a las que se ven sometidos los perfiles pueden verse condicionadas tanto por el paso del tren como por el efecto del contrapeso (sin tren). En la Tabla 5.14 se resumen las máximas y mínimas tensiones que se alcanzan en los principales perfiles tanto para el tramo doble como para el tramo simple, donde en ningún caso se sobrepasa la tensión de fluencia nominal considerada en el análisis (220MPa). El detalle de las tensiones de cada tipo de perfil se encuentra en el Anexo D. Tabla 5.14: Tensiones máximas y mínimas Tramo simple Elemento Cuerdas (1, 2, 3)

Cuerda superior

Cuerdas (1, 2, 3) Diagonales (1, 2, 3 y 4) Cuerda Inferior

Vigas longuerinas Vigas transversales Tirantes

Tramo doble

Máxima compresión (MPa)

Máxima Tracción (MPa)

Máxima Compresión (MPa)

Máxima Tracción (MPa)

54

105

100

120

100

55

135

100

140 65

120 48

130 70

120 40

100 -

68 99

100 -

70 102

5.5.3.6 Contrastación con código AREMA A continuación, se comparan las tensiones de trabajo con las tensiones admisibles según el código AREMA (antecedente N°58), con el propósito de determinar los elementos más críticos del puente en base a sus factores de utilización, teniendo en cuenta que un factor de utilización mayor que 1.0 indica que el elemento está sometido a una tensión de trabajo que supera la tensión admisible de acuerdo al código. a) Tensiones admisibles Para realizar la verificación de los elementos estructurales se determinan las tensiones admisibles especificadas en el código AREMA, volumen 2, capitulo 5 (antecedente N°58), las cuales se indican en la Tabla 5.15.

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Tabla 5.15: Tensiones admisibles (AREMA). Tipo de esfuerzo Tensión admisible (kgf/cm2) 0.55 𝑓𝑦

Tracción axial, sección neta. Si kl/r ≤ 900 √𝑓𝑦

0.55𝑓𝑦

Si 900 √𝑓𝑦 < kl/r < 7200 √𝑓𝑦

Compresión en elementos con carga axial

0.6 𝑓𝑦 −

𝑓𝑦 3/2 17965

∙

𝑘𝑙 𝑟

10.34∙106

Si kl/r > 7200 √𝑓𝑦

𝑘𝑙2 𝑟

Tracción en fibras extremas sometidas a flexión, sección neta.

0.55 𝑓𝑦

Compresión en fibras extremas de miembros en flexión simétricos respecto al eje principal

0.55 𝑓𝑦 −

0.55𝑓𝑦 2 1.266∙108

Tracción en colgadores de vigas de piso, sección neta

1

2

( ) 𝑟𝑦

1000

k= ¾ para elementos con extremos remachado; l= Longitud del elemento analizado; ry= Radio de giro mínimo del ala de compresión y de la porción de alma comprimida, en torno a un eje en el plano del alma; r= Radio de giro correspondiente al elemento en compresión.

La evaluación de los esfuerzos combinados debe cumplir lo indicado en la Tabla 5.16. Tabla 5.16: Evaluación de esfuerzos combinados (AREMA). Tipos de esfuerzos Requerimiento Si Compresión axial y flexión

Si

𝑓𝑎 𝐹𝑎 𝑓𝑎 𝐹𝑎

𝑓𝑎

≤ 0.15 > 0.15

𝐹𝑎 𝑓𝑎 𝐹𝑎

𝑓𝑏1

+ 𝐹𝑏1 [1−

𝑓𝑎 𝑘 𝑙 2 ( 1 1) ] 14∙106 𝑟1

+

+

𝑓𝑏1 𝐹𝑏1

+

𝑓𝑏2 𝐹𝑏2

𝑓𝑏2 𝑓𝑎 𝑘 𝑙 2 ( 2 2) ] 14∙106 𝑟2

≤ 1.0 ≤ 1.0

𝐹𝑏2 [1−

𝑓𝑎𝑡 + 𝑓𝑏𝑡1 + 𝑓𝑏𝑡2 ≤ 0.55𝑓𝑦

Tracción axial y flexión

𝑓𝑦 = Tensión de fluencia del acero (kgf/cm2); 𝐹𝑎 = Tensión admisible en compresión para carga axial pura (kgf/cm 2); 𝐹𝑏1 y 𝐹𝑏2 = Tensión admisible de compresión por flexión, en torno a ejes 1-1 y 2-2, respectivamente, para flexión pura (kgf/cm2); 𝑓𝑎 = Tensión axial de compresión calculada (kgf/cm2); 𝑓𝑏1 y 𝑓𝑏2 = Tensión calculada de compresión por flexión en torno a ejes 1-1 y 2-2, respectivamente, en el punto 𝑘 𝑙 𝑘 𝑙 considerado (kgf/cm2); 1 1 y 2 2 = Razón entre la longitud efectiva y el radio de giro; 𝑓𝑎𝑡 = Tensión axial de tracción calculada (kgf/cm2); 𝑓𝑏𝑡1 𝑟1

𝑟2

y 𝑓𝑏𝑡2 = Tensión calculada de tracción por flexión en torno a ejes 1-1 y 2-2, respectivamente, en el punto considerado (kgf/cm2).

b) Factores de utilización tramo simple En la Figura 5.61 se muestran los factores de utilización obtenidos en diferentes zonas de la cuerda superior a lo largo del puente. Se observa que los mayores factores de utilización se encuentran en la zona a la mitad de la luz del tramo.

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Figura 5.61: Factores de utilización Cuerda Superior. Cara A. En la Tabla 5.17 se muestran los factores de utilización de los principales elementos del puente para las distintas zonas de ubicación en que se encuentran. Se definen las zonas 1 y 3 como las zonas cercanas a los apoyos de los bordes, y la zona 2 como la zona a la mitad de la luz del tramo, como se esquematiza en la figura. Tabla 5.17: Factores de utilización de los elementos estructurales.

c) Factores de utilización tramo doble En la Figura 5.62 se muestran los factores de utilización obtenidos en diferentes zonas de la cuerda superior a lo largo del puente. Se observa que los mayores factores de utilización se encuentran en la zona a la mitad de la luz de los tramos y en la zona de apoyo central.

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Figura 5.62: Factores de utilización Cuerda Superior. Cara A. En la Tabla 5.18 se muestran los factores de utilización de los principales elementos del puente para las distintas zonas de ubicación en que se encuentran. Se definen las zonas 1 y 3 como las zonas cercanas a los apoyos de los borde y central respectivamente, y la zona 2 como la zona a la mitad de la luz de los tramos, como se esquematiza en la figura. Tabla 5.18: Factores de utilización de los elementos estructurales.

El detalle de los factores de utilización para cada elemento obtenido en las distintas ubicaciones a lo largo del puente, se encuentra en el Anexo D.

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5.6 Análisis del estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones A continuación, se presentan los aspectos y resultados más relevantes del estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones, elaborado por la empresa ARP Ingeniería S.A. (Antecedente N°83), de acuerdo a los objetivos propuestos en el presente estudio de falla del puente. El estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones mencionado, tuvo como objetivo evaluar las condiciones que se dieron en el río Toltén en el tramo del puente ferroviario, los días anteriores próximos al colapso de la estructura (18 de agosto de 2016), indagando sobre las posibles causas asociadas a las condiciones señaladas u otras relacionadas. Para lo anterior, se analizaron los antecedentes disponibles relativos a informes hidrológicos, información aerofotogrametríca y satelital, topobatimetrías, granulometrías del lecho, infraestructura de los puentes, obras de encauzamiento entre otros. Posteriormente, se estimó el hidrograma de crecida entre los días 16 al 20 de agosto de 2016, junto con un análisis de frecuencia de crecidas y periodo de retorno. Luego, se determinó el eje hidráulico empleado dos topobatimetrías disponibles y se determinaron las socavaciones al pie de las cepas para escenarios de mínima y máxima socavación, según diversas metodologías, considerando la granulometría del lecho. Finalmente, se analizó la evolución morfológica del cauce entre los años 1979 y 2016, de modo de evaluar si dicha evolución tuvo incidencia en el colapso del puente ferroviario. 5.6.1

Análisis hidrológico

Se determinó un caudal máximo instantáneo de la crecida del 16 al 20 de agosto de 2016 del rio Toltén en Pitrufquén de 1350 m3/s y un periodo de retorno asociado de 1.2 años. 5.6.2

Análisis hidráulico

Se realizó una comparación entre los ejes hidráulicos de los años 2008 y 2016, para un caudal de 1350 m 3/s; caudal máximo instantáneo de la crecida ocurrida el 17 de agosto 2016 (día anterior al colapso del puente), considerando topobatimetrías del fondo del río para los mismos años, de la cual se concluyó lo siguiente: Se ha generado una profundización máxima de 3.0 m en la sección aguas arriba del puente ferroviario, entre los años 2008 y 2016. El eje hidráulico aguas abajo del puente ferroviario es muy similar, no obstante aguas arriba el eje hidráulico del año 2008 se presenta peraltado respecto al del año 2016. Al año 2008 la cepa con el nivel del lecho del río más profundo correspondía a la cepa N°6, con una altura del flujo igual a 3.9 m, mientras que en el año 2016, la cepa N°4 (cepa colapsada) era la que presentaba mayor profundización, con una altura de flujo igual a 6.3 m. Lo anterior grafica la profundización (socavación general) que sufrió el cauce del rio entre los años 2008 la 2016, considerando que el eje hidráulico en la sección del cauce en que se encuentra el puente ferroviario para los años 2008 y 2016 son prácticamente iguales.

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5.6.3

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Evolución morfológica del cauce del río Toltén entre 1979 a 2016

Se realizó un análisis de la evolución morfológica del cauce del río Toltén, con el objetivo de evaluar la incidencia en el colapso del puente el dejar la cepa N°4 en una situación más vulnerable frente a las socavaciones. La morfológica del cauce entre 1979 a 2016 presentó una tendencia gradual de socavar la ribera derecha (norte) en el sector de los puentes. La cepa N°4 en el año 1979 estaba fuera del cauce activo (ver Figura 5.63), en 1998 el cauce se desplazó hacia el norte (ver Figura 5.64), quedando la cepa dentro de él. Posteriormente, entre los años 1998 y 2008 el cauce presentaba dos brazos de importancia en el sector de los puentes, similares en cuanto a la concentración de flujo. La cepa N°4 quedaba ubicada dentro del brazo derecho (sector norte). Entre los años 2011 a 2016 (ver Figura 5.65) se realizaron trabajos de encauzamientos aguas arriba del puente, los cuales modificaron el patrón de flujo, concentrando el flujo por el brazo derecho, causando un ensanchamiento de este brazo hacia la ribera derecha y la profundización del lecho, alcanzando hasta 2.6 m de profundización en la cepa N°4 entre los años 2008 y 2016, dejando a la cepa con una condición de vulnerabilidad mayor frente a las socavaciones.

Figura 5.63: Fotografía aérea río Toltén, año 1979. (Fuente: Antecedente N°83).

Figura 5.64: Fotografía aérea río Toltén, año 1998. (Fuente: Antecedente N°83).

Figura 5.65: Fotografía satelital río Toltén, año 2016. (Fuente: Antecedente N°83).

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5.6.4

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Análisis de socavaciones locales

Se determinaron las socavaciones locales al pie de las cepas del puente ferroviario durante la crecida del 16 al 20 de agosto, considerando la topobatimetría de septiembre de 2016 y la del año 2008, con el objetivo de compararlas y evaluar los resultados. Se generaron dos escenarios de socavación para cada análisis: a) El escenario 1 (E1) considera la máxima socavación posible; y b) El escenario 2 (E2) considera la mínima socavación posible. Estos escenarios se definieron en función del grupo de calicatas consideradas (mayor o menor D 50), factor por grupos de pila adoptado y la consideración o no del factor de acorazamiento en lechos de grava. a)

Escenario E1 de máximas socavaciones calculadas

De los resultados obtenidos con la topobatimetría del año 2008, las profundidades de socavación no habrían superado el nivel de sello de fundación de ninguna de las cepas, teniéndose a la cepa N°4 con una cobertura de suelo entre 0.7 m y 0.9 m, siendo la más vulnerable de todas las cepas, tal como se presenta en la Figura 5.66.

(a) (b) Figura 5.66: Perfil de socavación al pie de cepas para escenario E1: a) según ecuación de Breusers (Top. 2008); b) según ecuación de CSU (Top. 2008). (Fuente: antecedente N°83) De los resultados obtenidos con la topobatimetría del año 2016, las profundidades de socavación habrían superado el nivel de sello de fundación de la cepa N°4, obteniéndose que el nivel del lecho socavado se encontraba entre 1.4 m y 2.1 m bajo el sello de fundación de esta cepa, siendo ésta la única cepa que hubiese quedado sin cobertura de suelo, tal como se presenta en la Figura 5.67.

(a) (b) Figura 5.67: Perfil de socavación al pie de cepas para escenario E1: a) según ecuación de Breusers (Top. 2016); b) según ecuación de CSU (Top. 2016). (Fuente: antecedente N°83)

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b) Escenario E2 de mínimas socavaciones calculadas De los resultados obtenidos con la topobatimetría del año 2008, las profundidades de socavación no habrían superado el nivel de sello de fundación de ninguna de las cepas, teniéndose a la cepa N°4 con una cobertura de suelo de entre 2.4 m y 3.5 m, siendo la más vulnerable de todas las cepas, tal como se presenta en la Figura 5.68.

(a) (b) Figura 5.68: Perfil de socavación al pie de cepas para escenario E2: a) según ecuación de Breusers (Top. 2008); b) según ecuación de CSU (Top. 2008). (Fuente: antecedente N°83) De los resultados obtenidos con la topobatimetría del año 2016, las profundidades de socavación no habrían superado el nivel de sello de fundación de ninguna de las cepas, teniéndose a la cepa N°4 con una cobertura de suelo entre 0.1 m y 0.7 m, siendo la más vulnerable de todas las cepas, tal como se presenta en la Figura 5.69.

(a) (b) Figura 5.69: Perfil de socavación al pie de cepas para escenario E2: a) según ecuación de Breusers (Top. 2016); b) según ecuación de CSU (Top. 2016). (Fuente: antecedente N°83) Es probable que las profundidades reales de socavación estén más cercas del escenario E2 (mínimas socavaciones calculadas), dado que las expresiones utilizadas para calcularlas están pensadas para el diseño y tienen un sesgo conservador en sus estimaciones. En cualquier caso, si la cepa N°4 no se hubiese socavado a los niveles indicados en el escenario E1 (máximas socavaciones calculadas), igualmente habría quedado en una situación muy vulnerable tras el peak de la crecida del 16 al 20 de agosto de 2016, quedando “colgada” o con una mínima cobertura de suelo (entre 0.1 m a 0.7 m). No obstante, si la topografía del lecho no hubiese variado desde el año 2008 al año 2016, la crecida del 16 al 20 de agosto de 2016 habría dado a la cepa N°4 en una situación menos vulnerable, con una cobertura de tierra entre 2 m a 3 m mayor.

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6.

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ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1 Estudio de antecedentes El puente es de vía superior y tenía una data de un poco más de 100 años al momento de su colapso. Su estructura original está constituida por una superestructura conformada por 9 tramos de 50 m (4 tramos dobles y un tramo central simple), apoyados sobre una subestructura compuesta de 8 cepas (de 2 pilas independientes cada una) y 2 estribos. Los tramos corresponden a vigas enrejadas rectas remachadas, en tanto que las cepas, corresponden a pilas de acero remachado de sección circular, rellenas con un hormigón simple. En 1928 para efectos de aumentar la capacidad del puente, éste fue reforzado mediante la incorporación de una cadena atirantada y la incorporación de un reticulado inferior adosado a las longuerinas. Posteriormente, después del sismo del 2010, se volvió a reforzar el puente a través de la incorporación de placas en las cuerdas superiores e inferiores, aproximadamente a la mitad de las luces de los tramos dobles. Si bien el puente ha sido reforzado, no hay evidencia de que se hayan reemplazado elementos principales originales, tales como las cuerdas superiores e inferiores, ni de otros elementos a nivel global. Respecto de las cepas, del plano original se pudo determinar que las pilas que las conforman tienen un largo que varía entre 14.79 m y 21.56 m, que según se ve en el mismo plano, las diferencias de longitud se deben fundamentalmente a si la cepa se encontraba fuera o dentro del cauce al momento de su construcción. En particular, la cepa N°4, originalmente fuera del cauce, tenía pilas de longitud de 16.45 m (aguas arriba) y 16.85 m (aguas abajo). Relacionado con lo anterior, las coberturas de suelo originales (enterramiento) de las pilas variaba entre 7.5 m y 12 m. En particular, las pilas de la cepa N°4 tenían coberturas de suelo iniciales del orden de 8.5 m. 6.2 Inspección en terreno de la estructura De la inspección general al puente se observa el colapso de los tramos N°3 y N°4 (tramo doble) y del tramo N°5 (tramo simple), los cuales quedaron parcialmente bajo agua, además, de ambas pilas de la cepa N°4, las que quedaron totalmente sumergidas. Se aprecia que los tramos que concurrían a la cepa N°4 se torcieron, de modo que la parte superior se desplazó hacia el oriente y los tramos se desplazaron lateralmente en el sentido del flujo. En cuanto al sistema de atirantamiento, éste sufrió diversos daños a lo largo del puente. La porción a la vista del tramo doble N°3-N°4, con apoyo central en la cepa N°3, presenta las mayores deformaciones e incluso fracturas múltiples en sus elementos principales en torno a dicha cepa. También, en las zonas de estos tramos que cayeron sobre el suelo, se aprecian fracturas a nivel de la cuerda superior y cuerda inferior, atribuibles al impacto de la caída. Cabe destacar, que al momento del colapso, 7 de los 9 carros con mayor peso se encontraban sobre los tramos colapsados. De la inspección de las porciones de los tramos colapsados que quedaron bajo agua, una vez retirados, se observaron diversas fracturas frágiles en las cuerdas superiores e inferiores, la mayoría atribuibles a los impactos producto de la caída, concentradas en los extremos concurrentes a la cepa N°4. Se observó una deformación transversal del extremo de los tramos N°4 y N°5, que se apoyaba sobre la cepa N°4, atribuible a la caída de estos tramos sobre las pilas de dicha cepa. De la inspección subacuática de las pilas de la cepa N°4 (cepa colapsada), se observa que ambas pilas cayeron hacia aguas abajo del puente, volcando sobre su propia base. La pila aguas abajo se encontraba íntegra, en tanto que la pila aguas arriba se fracturó a media altura, presumiblemente debido a su caída sobre la otra pila, separándose en dos partes, quedando una a cada lado de esta última.

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6.3 Caracterización geométrica mediante escáner láser 3D Del levantamiento geométrico mediante escáner láser 3D, no se detectaron desalineamientos ni deformaciones significativas de los tramos no colapsados de la superestructura. En cuanto a las cepas no colapsadas, tampoco se detectaron inclinaciones ni desniveles relevantes. 6.4 Caracterización del material de la estructura De los ensayos realizados se tiene que las muestras extraídas de la superestructura corresponden a aceros del tipo hierro pudelado, estando su composición química y propiedades mecánicas dentro del rango esperado para este tipo de aceros. De los resultados de los ensayos a una muestra de un tirante de sección octogonal se infiere que este material corresponde a un acero al carbono, que se asemeja a aceros estructurales de uso moderno. Las tensiones de fluencia y de rotura obtenidos de los ensayos a la tracción de las muestras extraídas de la superestructura del puente, se encuentran en los rangos de 271 MPa a 362 MPa y de 344 MPa a 459 MPa, respectivamente, resultando mayores que las propiedades nominales indicadas en los antecedentes de 220 MPa y 310 MPa. De los ensayos de tenacidad al impacto de Charpy, realizado de acuerdo a lo especificado en la norma AASTHO, se obtiene que el material (hierro) tiene un comportamiento frágil frente a impactos. Este resultado se condice con los resultados de los análisis químicos y metalográficos realizados. 6.5 Análisis estructural Las tensiones máximas obtenidas en el análisis estructural de la superestructura, considerando las características del tren que circulaba al momento del colapso del puente, fueron en el tramo N°5 (tramo simple) de 105 MPa (tracción) en la cuerda superior y de 100 MPa (compresión) en la cuerda inferior, mientras que en el tramo N°3N°4 (tramo doble) las tensiones máximas fueron de 114 MPa (tracción) en la cuerda superior y 128 MPa (compresión) en la cuerda inferior. Estas tensiones máximas son similares a las tensiones máximas a las obtenidas considerando el tren de diseño (Tren B). En cuanto a los factores de utilización máximos de las cuerdas, determinados conforme al código AREMA 2001, éstos varían entre 0.9 en el tramo simple N°5 y 1.1 para el tramo doble N°3-N°4. Teniendo en cuenta que la tensión de fluencia nominal del acero es de 220 MPa y que los valores empíricos de la misma se encuentran entre los 271 MPa y 362 MPa, y que las tensiones máximas de trabajo son del orden del 50% de la tensión de fluencia y del orden de un tercio de la tensión de rotura del material, se infiere que los niveles esfuerzos generados en la superestructura debido al paso del tren (y su peso propio obviamente) no son suficientes para producir la falla de la misma. 6.6 Análisis del estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones Del análisis de la evaluación morfológica del cauce del río Toltén entre los años 1979 y 2016, el estudio estableció que en el año 1979 la cepa colapsada (cepa N°4) se encontraba fuera del cauce, sin embargo, se observaba una tendencia gradual de socavación de la ribera norte del río y con ello el desplazamiento progresivo el cauce en esa misma dirección, con lo cual, en el año 1998 se constata que la cepa N°4 queda dentro del cauce. Del análisis realizado a partir de los perfiles topobatrimétricos disponibles de los años 2008 y 2016, se determinó que entre esos años, el lecho del río experimentó una profundización de 2.6 m en torno a la cepa N°4. Del análisis de la socavación local al pie de la cepa N°4 durante la crecida del 16 al 20 de agosto 2016, el estudio concluye que:

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- En un escenario de máximas socavaciones, las profundidades de socavación habrían superado el nivel de sello de fundación de la cepa, obteniéndose que el nivel del lecho socavado se encontraba entre 1.4 m y 2.1 m bajo el sello de fundación de la cepa, quedado sin cobertura de suelo. - En un escenario de mínimas socavaciones, las profundidades de socavación no habrían superado el nivel de sello de fundación de la cepa, quedando eso sí, con una cobertura de suelo de entre 0.1 m y 0.7 m. - Es probable que las profundidades reales de socavación estén más cercas del escenario de mínimas socavaciones calculadas. En cualquier caso, si la cepa N°4 no se hubiese socavado a los niveles indicados en el escenario de máximas socavaciones calculadas, igualmente habría quedado en una situación muy vulnerable tras el peak de la crecida del 16 al 20 de agosto de 2016, quedando “colgada” o con una mínima cobertura de suelo (entre 0.1 m a 0.7 m). 6.7 Análisis de la profundización del lecho A continuación, se presenta un análisis de la profundización del lecho del río en torno a la cepa N°4, realizado a partir de la información recopilada en la revisión de antecedentes, el levantamiento geométrico del puente elaborado mediante escáner láser 3D post colapso y el levantamiento topobatimétrico efectuado por la empresa Aerotop post colapso (antecedente Nº 73). En la Tabla 6.1 se muestran las coberturas de suelo (“enterramiento”) de las cepas del puente, sin considerar la socavación local, estimadas a partir de la información siguiente: - Las longitudes de las cepas indicadas en los planos originales del puente (antecedente Nº 15). - Las ortoimágenes obtenidas del levantamiento láser 3D. - El perfil Nº8 del levantamiento topobatimétrico (ubicado a 11 m aguas abajo del puente, antecedente Nº 73). Tabla 6.1 Coberturas de suelo de acuerdo a topobatimetría del año 2016. Cepa

Longitud total (m)

N°1 N°2 N°3 N°4 N°5 N°6 N°7 N°8

20.50 15.29 14.79 16.45 17.79 17.99 20.11 19.81

Pila Oriente (aguas arriba) Longitud libre media1 Cobertura de suelo2 (m) (m)

7.07 7.47 7.18 13.85 10.11 9.38 9.14 8.02

13.43 7.82 7.61 2.60 7.68 8.61 10.97 11.79

Longitud total (m)

21.56 15.11 15.02 16.85 17.89 18.30 20.77 20.20

Pila Poniente (aguas abajo) Longitud libre media1 Cobertura de suelo2 (m) (m)

7.07 7.47 7.18 13.85 10.11 9.38 9.14 8.02

14.49 7.64 7.84 3.00 7.78 8.92 11.63 12.18

Notas: (1) Corresponde a la longitud media medida desde el extremo superior de las pilas hasta el nivel de terreno (seco o lecho del río) (2) La cobertura de suelo se calcula como la diferencia entre la longitud total y su longitud libre. Este análisis no considera la socavación local en tono a la cepa.

Las coberturas de suelo de la pilas oriente y poniente de la cepa Nº 4 (colapsada) corresponden 2.6 m y 3.0 m, respectivamente (sin considerar la socavación local). Cabe señalar que las coberturas de suelo iniciales según la planimetría original del puente (antecedente Nº 15) variaban entre 7.5 m y 12.0 m, en particular, la cobertura de suelo de la cepa colapsada era del orden de 8.5 m. En las Figura 6.1 y Figura 6.2, se presentan gráficamente la superposición de levantamiento láser, el perfil topobatimétrico (N°8) y las longitudes teóricas de pilas. En el Anexo E se presentan las láminas con el detalle de la superposición realizada.

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Figura 6.1: Superposición de levantamiento láser, perfil topo-batimétrico y longitud de pilas. Elevación poniente.

Figura 6.2: Superposición de levantamiento láser, perfil topo-batimétrico y longitud de pilas. Elevación oriente.

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6.8 Mecanismo de colapso Con base en el análisis efectuado en los puntos anteriores, en particular, en los daños observados y disposición final de los tramos colapsados y de la cepa N°4, el análisis estructural realizado y los resultados del estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones, se infiere que el mecanismo más probable de colapso del puente fue el siguiente: i.

De acuerdo con el estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones, al momento del colapso, la cepa N°4 estaba en una condición vulnerable tras el “peak” de la crecida del 16 al 20 de agosto del río Toltén, producido 44 horas antes de la falla, quedando “colgada”, es decir, socavada por debajo de su sello de fundación, o con una mínima cobertura de suelo, o sea, sin confinamiento lateral.

ii.

A partir de la disposición final tanto de los tramos colapsados como de la cepa N°4, se infiere que tras el paso de la locomotora y de los primeros carros del tren que circulaba sobre el puente cuando ocurrió el colapso, se produjo un descenso de la pila oriente de la cepa N°4 debido a la pérdida parcial de apoyo o soporte en su base.

iii.

Al descender la pila oriente de la cepa N°4, se produjo una torsión de los tramos N°4 y N°5 en torno al eje longitudinal del puente, desplazando sus cuerdas inferiores hacia aguas abajo y sus cuerdas superiores hacia aguas arriba, tal como se muestra en la Figura 6.5.a, Figura 6.5.b y Figura 6.6, además, se generó un incremento de la carga de la pila poniente.

iv.

Debido a lo anterior, la pila oriente de la cepa N°4 perdió estabilidad y volcó hacia aguas abajo, volcando simultáneamente o inmediatamente después y en el mismo sentido la pila poniente.

v.

Al fallar la cepa N°4, se redistribuyeron los esfuerzos en la viga enrejada del tramo doble N°3-N°4, aumentando fuertemente los esfuerzos en su zona de apoyo central sobre la cepa N°3, a niveles tales que generaron las fracturas las cuerdas superiores y luego de las cuerdas inferiores en torno a dicha cepa, en tanto que el tramo N°5, se transformó en un mecanismo al perder el apoyo de la cepa N°4 y cayó pivoteando en torno a la cepa N°5 (ver Figura 6.3).

vi.

Junto con la fractura múltiple del tramo doble N°3-N°4 sobre la cepa N°3, se produjo la caída de los tramos N°3 y N°4 pivoteando en torno a las cepa N°2 y N°3, respectivamente.

vii.

Al caer los tramos involucrados, se produjeron impactos de éstos contra el suelo generándose fallas secundarias en los mismos, las que se vieron incrementadas por el peso de los vagones presentes sobre la superestructura, originándose: fracturas en elementos principales y secundarios; pandeos de montantes y diagonales; desangulaciones y torsiones; entre otros daños. En la ver Figura 6.4 se presenta un esquema de la ubicación global de estos daños.

viii.

Debido al giro por torsión de los tramos N°4 y N°5, los vagones impactaron contra los tirantes y cadenas del costado oriente, sacando de su posición a varias de las torres y cortando cadenas y tirantes.

ix.

Al caer la superestructura sobre las pilas ya volcadas, se produjeron deformaciones transversales y daños localizados importantes en las vigas enrejadas de los tramos N°4 y N°5 en las proximidades de la cepa.

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Aumento de los esfuerzos a niveles de fractura de los elementos

Pérdida de apoyo por volcamiento de la cepa

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Tramo 5 se transforma en un mecanismo.

Figura 6.3: Esquema de la elevación de los tramos 3, 4 y 5 del puente Toltén frente a la pérdida de apoyo de la cepa N°4.

Daño secundario, por impacto producto de la caída.

Daño secundario, por impacto producto de la caída.

Daños principales debido al aumento súbito de los esfuerzos

Figura 6.4: Esquema de la elevación poniente de los tramos N°3, N°4 y N°5 del puente Toltén post colapso. SENTIDO DEL FLUJO

SENTIDO DEL FLUJO Cepa N°3

Torsión de tramo N°4

Torsión de tramo N°5

(a)

(b) Figura 6.5: Torsión de: a) tramo N°4; b) tramo N°5. DIRECCIÓN DEL FLUJO

Torsión en tramo N°5

Cuerdas inferiores desplazadas hacia aguas abajo

Cuerdas superiores desplazadas hacia aguas arriba

Figura 6.6: Torsión de tramo N°5.

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Cepa N°5

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CONCLUSIÓN

La causa más probable del colapso del puente ferroviario sobre el río Toltén producido el 18 de agosto de 2016, fue el volcamiento de la cepa N°4, generado por la condición de vulnerabilidad o inestabilidad que presentaba dicha cepa debido a la pérdida parcial de apoyo o soporte en su base. En efecto, de acuerdo con el estudio hidrológico, hidráulico y de socavaciones, la profundización y la socavación local del lecho del río en torno a la cepa N°4, provocaron que al momento del colapso la cepa estuviera “colgada”, es decir, socavada por debajo de su sello de fundación, o con una mínima cobertura de suelo. Finalmente, a partir de la disposición última tanto de los tramos colapsados como de la cepa N°4, se infiere que tras el paso de la locomotora y de los primeros carros del tren que circulaba sobre el puente cuando ocurrió el colapso, se produjo un descenso de la pila oriente de la cepa N°4 debido a su pérdida parcial de apoyo o soporte en su base, generándose el volcamiento de la misma, y posteriormente la fractura y caída del tramo doble y del tramo simple de la superestructura que se apoyaban en dicha cepa. Santiago, 01 de junio de 2017.

GUILLERMO SIERRA R. Jefe División Estructuras Peritajes

VÍCTOR ÁGUILA O. Jefe de Proyecto División Estructuras Peritajes

FERNANDO YÁNEZ U. Director IDIEM

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ANEXO A

ANEXO A: REVISIÓN DE ANTECEDENTES

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ANEXO A

ANTECEDENTES

Para el desarrollo del estudio se han recibido y revisado los antecedentes que se listan a continuación. 1.1 Documentos Nº 1

2 3

AUTOR Grupo EFE. Gerencia de Ingeniería. Grupo EFE. Gerencia de Ingeniería. Grupo EFE.

DOCUMENTO

DESCRIPCIÓN

REVISIÓN FECHA

Informe ejecutivo Puente Toltén (LCS PK 718.600)

Línea de tiempo de puente Toltén.

-

agosto 2016

-

agosto 2016

-

-

Informe ejecutivo Puente Toltén (LCS PK 718.600) -

4

APIA XXI.

Estudio de ingeniería de detalles para la reparación definitiva del puente Toltén.

5

APIA XXI.

Informe final puente Toltén

6

ICIL - ICAFAL. S.A.

INFORME FINAL TOLTEN ICIL ICAFAL

7

APIA XXI.

Protocolo prueba de carga

8

ICIL - ICAFAL. S.A.

Registro prueba de carga puente Toltén

9

-

Esquema reemplazo tirantes puente Toltén

Grupo EFE

Servicio de inspección técnica de obras. Protección anticorrosiva puente Toltén

10

11

EFE

Trenes de diseño

12

EFE

Trenes reales

Línea de tiempo de puente Toltén más Plan de mantenimiento. Línea de tiempo 27/02/2010 a junio 2016

Evaluación estado puente Toltén y proyecto de D rehabilitación. Evaluación estado puente Toltén y proyecto de refuerzo. Informe final de obra. Obras de reparación definitiva puente Toltén PK 718.600 y Donguil PK 735.47 Prueba de carga puentes ferroviarios EFE. Puente Toltén Registro prueba de carga puente Toltén Esquema donde se indican los tirantes a reemplazar, durante desarrollo de proyecto de pintura anticorrosiva Informe de recepción final de obras. Trenes de diseño tipo A, B, C y C+ de EFE y tipo Cooper E-80 de la norma AREMA. Diagramas de trenes de carga para diseño de puentes troncha ancha (1.676 m)

11 de junio de 2010

A

05 de septiembre de 2010

-

05 de enero de 2011

-

-

-

5 de febrero de 2011

-

-

A

21 de junio de 2016

-

-

-

-

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

Página 3 de 18

ANEXO A

Nº

AUTOR

DOCUMENTO

13

EFE

Tren 2340

14

EFE

Circulación de trenes por puente Toltén.

DESCRIPCIÓN REVISIÓN FECHA Disposición, pesos y condición de la trenada el día del accidente. Detalle de trenes que circularon por el puente 31 de julio Toltén entre los días 18 de agosto 31/07/2016 al 18/08/2016

1.2 Planos Nº 15

16

17

AUTOR F. C. del E. 3ª edición Departamento de ingenieros FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras

DOCUMENTO -

P-232

P-233

18

FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras

P-234

19

FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras

P-235

20

FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras

P-236

21

FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras

P-237

22

23

24

FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras FF.CC del Estado Departamento de la vía y obras -

P-238

P-240

PL. Nº 255.A

DESCRIPCIÓN Línea de Temuco a Pitrufquén - Puente de 9 tramos de 50 metros - Río Toltén Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Plano General Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Anclaje de la cadeneta Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Fundaciones en el estribo norte i sur Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Palanca i anclaje de la cadena de retención Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Detalle de las barras de suspensión y eslabones Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Marco y refuerzo de los montantes Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Refuerzo de los largueros Refuerzo del Puente Toltén km.718.600 Detalles de la cadena Refuerzo Puente Toltén Unión de la suspensión a la viga

REVISIÓN

FECHA

-

noviembre 1898

-

octubre 1928

-

octubre 1928

-

octubre 1928

-

octubre 1928

-

octubre 1928

-

-

-

octubre 1928

-

-

-

-

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

Página 4 de 18

ANEXO A

Nº

AUTOR

DOCUMENTO

25

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.B

26

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.D

27

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.E

28

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.F

29

-

PL. Nº 255.G

30

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.H

31

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.I

32 33

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.J PL. Nº 255K

34

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.L

35

Depto. Vías y Obras

PL. Nº 255.M

36

Depto. Vías y Obras

-

37

Ferrocarriles del Estado Chile Departamento de la vía y obras

S.P. Nº298. Lámina 1/1

38

FF. CC. del Estado Chile - Depto. Vía y Obras

S.P.-55-38. Lámina 1/1

39

APIA XXI

Lamina 1/3

40

APIA XXI

Lamina 2/3

41

APIA XXI

Lamina 3/3

DESCRIPCIÓN Refuerzo Puente Toltén Anclaje del contrapeso Refuerzo Puente Toltén Sillas de suspensión y piezas media esfera Refuerzo Puente Toltén Estribo norte i unión de la cadena con la palanca Refuerzo Puente Toltén Estribo sur i unión de la cadena Refuerzo Puente Toltén Unión de los eslabones Refuerzo Puente Toltén Unión de la palanca con el contrapeso (estribo norte) Refuerzo Puente Toltén Apoyo de los pendolones Refuerzo Puente Toltén Refuerzo Puente Toltén Refuerzo Puente Toltén Unión de la cadena estribo norte, sur y eslabones Refuerzo Puente Toltén Puente Toltén - 8 piezas de acero fundido Puente Toltén km.718.600 Reconstrucción mesa apoyo estribo norte Puente Toltén km.718.600 - Largos teóricos de los tirantes según proyecto. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Estructura existente puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Estructura existente puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Estructura existente puente Toltén.

REVISIÓN

FECHA

-

-

-

-

-

1930

-

1930

-

1930

-

1930

-

-

-

1930 1930

-

1930

-

1930

-

octubre 1931

-

octubre 1953

-

agosto 1955

A

06 de junio de 2010

A

06 de junio de 2010

A

06 de junio de 2010

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INFORME N° 1.150.268

Página 5 de 18

ANEXO A

Nº

AUTOR

DOCUMENTO

42

APIA XXI

Lamina 1/4

43

APIA XXI

Lamina 2/4

44

APIA XXI

Lamina 3/4

45

APIA XXI

Lamina 4/4

46

APIA XXI

Lamina 1/1

47

APIA XXI

Lamina 1/4

48

APIA XXI

Lamina 2/4

49

APIA XXI

Lamina 3/4

50

APIA XXI

Lamina 4/4

51

ICIL ICAFAL S.A.

Lamina 1/1

DESCRIPCIÓN Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Rehabilitación puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Rehabilitación puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Rehabilitación puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Rehabilitación puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Solución alternativa puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Ingeniería de detalle del proyecto de refuerzo del puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Ingeniería de detalle del proyecto de refuerzo del puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Ingeniería de detalle del proyecto de refuerzo del puente Toltén. Proyecto: Rehabilitación y reforzamiento puentes EFE. Ingeniería de detalle del proyecto de refuerzo del puente Toltén. Reparación definitiva puentes Toltén y Donguil. Refuerzo de vigas puente Toltén. Plano de fabricación y conjunto.

REVISIÓN

FECHA

A

11 de junio de 2010

A

11 de junio de 2010

A

11 de junio de 2010

A

11 de junio de 2010

A

11 de junio de 2010

A

09 de septiembre de 2010

A

09 de septiembre de 2010

A

09 de septiembre de 2010

A

09 de septiembre de 2010

A

25 de septiembre de 2010

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

Página 6 de 18

ANEXO A

Nº

AUTOR

DOCUMENTO

52

EFE - Gerencia de proyectos

Lamina 1/1

53

EFE - Gerencia de proyectos

Lamina 1/1

54

EFE - Gerencia de ingeniería

Lamina 1/1

DESCRIPCIÓN Proyecto: Refuerzo estribo puente Toltén sur. Plano AS Built obras extraordinarias. Proyecto: Refuerzo muro lateral poniente estribo sur puente Toltén. Plano AS Built obras extraordinarias. Proyecto: Puente Toltén existente. Plano general de la estructura existente.

REVISIÓN

FECHA

A

27 de julio de 2016

A

27 de julio de 2016

A

26 de agosto de 2016

1.3 Normas y otros documentos Nº

AUTOR

DOCUMENTO

FECHA

55

EFE

NT-01-02-01 -Norma técnica diseño de puentes ferroviarios

2006

56

AREMA

American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association 2001

57

Dirección de Vialidad

Manual de carreteras

2013

58

AASHTO

Steel Bridge Design Specification

2005

59

Julio Tapia Cabezas (EFE) U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration

Refuerzo de puentes metálicos en los FF. CC. Del E. (Chile)

1945

Bridge Inspector’s Reference Manual

2012

60 61

ASTM

62

ASTM

63

ASTM

64

ASTM

65

ASTM

66

ASTM

67

ASTM

68

ASTM

69

ASTM

70

ASTM

ASTM A36/A36M-14: Standard Specification for Carbon Structural Steel ASTM A325-14: Standard Specification for Structural Bolts, Steel, Heat Treated, 120/105 ksi Minimum Tensile Strength ASTM A370-16: Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products ASTM A751-14: Standard Test Methods, Practices, and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products ASTM E3-11: Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens ASTM E8/E8M: /E8M-15a: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials ASTM E18-15: Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials. ASTM E23-12c: Standard Test Methods for Notched Bar Impact testing of Metallic Materials ASTM E376-11: Standard Practice for Measuring Coating Thickness by Magnetic Field or Eddy-Current (Electromagnetic) Testing Methods ASTM E384-16: Standard Test Methods for Microidentation Hardness of Materials

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

2014 2014 2016 2014 2011 2015 2015 2012 2011 2016

INFORME N° 1.150.268

Nº

AUTOR

71

ASTM

72

ASTM

Página 7 de 18

ANEXO A

DOCUMENTO ASTM E407-07(20015): Standard Practice for Microetching Metals and Alloys ASTM E797/E797M-15: Standard Practice for Measuring Thickness by Manual Ultrasonic Pulse-Echo Contact Method

FECHA 2015 2015

1.4 Informes post colapso Nº

AUTOR

73

AeroTop

DOCUMENTO Informe técnico Levantamiento perfiles topo-batimétricos en río Toltén

DESCRIPCIÓN REVISIÓN FECHA Informe técnico - Trabajos geodésicos y topográficos septiembre 1 Levantamiento perfiles topode 2016 batimétricos en río Toltén

DESCRIPCIÓN 15 videos aéreos tomados mediante dron, tanto del puente ferroviario Toltén, como del cauce del río Toltén aguas arriba y aguas abajo. 158 fotografías del puente Toltén colapsado, y de los daños de la estructura metálica 162 fotografías del puente Toltén post reparaciones de emergencia sismo 2010 (11 y 17 de mayo de 2010)

1.5 Videos y fotografías Nº

AUTOR

DOCUMENTO

74

EFE

Videos aéreos (MP4) del puente Toltén colapsado y cauce del río Toltén

75

EFE

Fotografías del puente Toltén colapsado

76

APIA XXI

Fotografías del puente Toltén post sismo 2010

REVISIÓN FECHA

-

-

-

-

-

mayo de 2010

1.6 Antecedentes incorporados en el informe de avance N° 2 Nº

AUTOR

DOCUMENTO

77

EFE

Peso estimado contrapeso

78

EFE

Solicitud obras extraordinaria puente Toltén

DESCRIPCIÓN Peso estimado del contrapeso del extremo sur del puente Solicitud cotización obras extraordinarias contrato protección anticorrosiva puente toltén

REVISIÓN

FECHA

-

-

-

04 marzo de 2016

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

Página 8 de 18

ANEXO A

Nº

AUTOR

DOCUMENTO

79

EFE

Procedimiento constructivo

80

ICIL - ICAFAL. S.A.

Cambio y montaje de contaventación tramos 3 y 9. Puente Toltén

81

ICIL - ICAFAL. S.A.

Reemplazo piezas estructurales en estribo sur puente Toltén

82

ICIL - ICAFAL. S.A.

Reemplazo de tirantes puente Toltén

DESCRIPCIÓN Procedimiento constructivo reparación de tirantes y restitución de contrapesos puente tolten. Instructivo de trabajo para el cambio y montaje de contaventación tramos 3 y 9. Puente Toltén. Instructivo de trabajo para el reemplazo piezas estructurales en estribo sur puente Toltén. Instructivo de trabajo para el reemplazo de tirantes en el puente Toltén.

REVISIÓN

FECHA

-

-

0

05 de mayo de 2016

0

10 de mayo de 2016

0

19 de mayo de 2016

DESCRIPCIÓN Peritaje hidrológico, hidráulico y de socavaciones

REVISIÓN

FECHA

B

Abril de 2017

1.7 Antecedente incorporado en el presente informe Nº

AUTOR

83

APR Ingeniería S.A.

DOCUMENTO Falla del puente FFCC sobre río Toltén en Pitrufquén

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

2.

ANEXO A

Página 9 de 18

REVISIÓN DE ANTECEDENTES

A continuación se presenta la información más relevante que se ha obtenido de la revisión de antecedentes. 2.1 Historial del puente A partir de la revisión de los antecedentes N° 1 al 3 se realiza una línea de tiempo con los acontecimientos más importantes que ha sufrido el puente, lo cual se resume en la Tabla 2.1.

Año

Tabla 2.1 Principales hitos en la historia del puente Toltén (que poseen registro). Hito Nº Descripción Construcción del puente - Base de cálculo para carga uniformemente distribuida de 2000 kg/m por cada viga. Reforzamiento para tren tipo 1907 + 25% de peso propio (tren tipo B EFE). La estructura se refuerza con un sistema de atirantamiento. Además se refuerzan localmente las vigas longuerinas mediante la incorporación de un enrejado inferior.

1896

1

1928 - 1931

2

1955

3

Reemplazo de 20 tirantes, de los cuales 11 se encontraban dañados y 9 cortados.

4

27 de Febrero - Terremoto 8.8. 01 de Marzo – EFE realiza levantamiento de situación actual del puente, identificando el corte de 1 perno del contrapeso sur, 7 tirantes cortados y 7 tirantes dañados post sismo.

5

6

06 de Abril - EFE recepciona las obras de reparación puente Toltén, efectuadas por ICIL ICAFAL S.A.

7

08 de Mayo - Inicio de estudio de ingeniería de detalle para reparación definitiva puente Toltén. APIA XXI.

8

17 de Junio - Fin de estudio de ingeniería de detalle para reparación definitiva puente Toltén. APIA XXI. Conclusiones: - Reemplazo de diagonal inferior fracturada. Incorporación de refuerzo de las alas de los perfiles superior e inferior de los tramos dobles, en los sectores indicados en los planos estructurales. – Reparación del estribo sur poniente ante presencia de grieta. Con estas reparaciones el puente quedaría habilitado para el paso de un tren tipo B a 50 km/h.

9

30 de Septiembre - Inicio de obras de la reparación definitiva para el puente Toltén. ICIL ICAFAL S.A.

10

13 de Diciembre - Fin de obras de la reparación definitiva para el puente Toltén. ICIL ICAFAL S.A.

11

01 y 05 de Febrero - Pruebas de carga con resultados de deformaciones dentro de lo esperado según cálculo.

12

21 de Febrero - Recepción definitiva de obras de la reparación del puente Toltén.

13

19 de Marzo - Se levanta la restricción de velocidad establecida después del terremoto de 27 F de 10 km/h.

2010

2011

18 de Marzo - Comienzan trabajos de reparación provisoria del puente Toltén - ICIL ICAFAL S.A. Reemplazo de 14 tirantes (calidad A34 - 19 o SAE 1020) y 1 perno del contrapeso sur.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

Año

Hito Nº

Descripción

14

03 de Agosto – Comienzo de la obra de mantención del puente Toltén (aplicación de pintura de protección anticorrosiva), en la cual se detectan daños estructurales: grieta en la mampostería de estribo sur oriente, 2 tirantes cortados, 12 tirantes dañados y diagonal cortada. Se restituye la restricción de velocidad de 10 km/h nuevamente.

15

Noviembre 2015 a Marzo 2016 - Monitoreo de fisuras y grietas en la mampostería del estribo sur oriente, donde no se apreció crecimiento de las mismas.

2015 - 2016

2016

Página 10 de 18

ANEXO A

16 17

05 de abril - Comienzo de trabajos de reparación de estructuras dañadas: reemplazo de 14 tirantes (2 tirantes cortados y 12 tirantes dañados), reparación de muro de ala y mesa de apoyo del estribo sur. 29 de Mayo - Fin de trabajos de mantención en el puente.

2.2 Estudios de ingeniería, rehabilitación y refuerzo del puente 2.2.1 Estructura existente En los planos de la estructura existente realizados por APIA XXI (antecedentes Nº 39 al Nº 41) se indican elevaciones y secciones del puente mostrando los perfiles que componen la superestructura. Estos planos no incluyen antecedentes de las cepas, ni cotas que indiquen distancias generales de la estructura. 2.2.2 Proyecto de Rehabilitación En el antecedente Nº 4, APIA XXI determina los daños observados en la estructura post terremoto 2010, y luego determina los elementos cuya reparación y refuerzo es necesaria para alcanzar, al menos, la condición de carga de tren tipo B. El estudio señala que la estructura presenta problemas locales de fractura y corrosión de algunos elementos. Se indica que los tensores poseen corrosión media a alta, al igual que la parte inferior del enrejado en zonas de uniones en contacto con el terreno, mientras que el resto de la estructura posee una corrosión leve a media. Adicionalmente, el estudio indica que las pilas sumergidas en el río no presentan socavación en las fundaciones, sin embargo, no se adjunta un antecedente que respalde tal afirmación. Finalmente el estudio propone el remplazo de una diagonal inferior fracturada, la incorporación de pletinas de refuerzo en las alas de las cuerdas superior e inferior de los tramos dobles, y la reparación del estribo sur poniente ante la presencia de una grieta. En la Figura 2.1 se muestra un esquema de la ubicación de los refuerzos de las cuerdas superiores e inferiores de las vigas enrejadas de tramos dobles.

Zonas reforzadas

Zonas reforzadas

Figura 2.1: Zonas de Tramos dobles reforzados

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INFORME N° 1.150.268

ANEXO A

Página 11 de 18

El estudio no propone el refuerzo del tramo simple Nº5, ni la reparación de las zonas con corrosión alta, sólo indica procedimientos de aplicación de pintura de protección para toda la estructura. Por otro lado, en la base de cálculo de este estudio, no se indican las propiedades mecánicas consideradas para el material existente ni las propiedades del acero de refuerzo ni de sus conectores. En los planos del proyecto de rehabilitación (antecedentes Nº 42 al Nº 45) se indica lo siguiente: Sectores de refuerzo con pletina en las cuerdas superior e inferior de los tramos dobles. Acero utilizado en la modelación tiene una fluencia de 2200 kg/cm2. Acero estructural tipo ASTM A36, para perfiles plegados en caliente, con fluencia mínima de 2500 kg/cm2. Hormigón tipo H30 para refuerzo lateral de estribo. Acero de refuerzo tipo A63 – 42H. Perfil de reemplazo de diagonal T 115x70x9x9 o T 150x100x12x8. Pletina de refuerzo PL 9830x400x10. En el antecedente Nº 6, informe final de obras de ICIL – ICAFAL S.A., se entrega un resumen de las obras realizadas y un registro fotográfico de las mismas. En el informe no se incluyen los certificados de ensayos y materiales declarados en el capítulo 5. 2.2.3 Pruebas de carga En los antecedentes Nº 7 y Nº 8, se entregan los protocolos de la prueba de carga y resultados de las deflexiones medidas en el centro de los distintos tramos, las cuales son menores a los desplazamientos esperados según cálculo. 2.2.4 Proyecto de Refuerzo En el antecedente Nº 5, APIA XXI entrega el informe final del estudio donde se determinan los refuerzos necesarios para que la estructura rehabilitada soporte un tren tipo C especial con una velocidad de 50 km/h. Se propone el refuerzo por el interior de las diagonales, además de reforzarlas en las zonas de conexión con las cuerdas superior e inferior. Junto a lo anterior, se propone reforzar las cuerdas superiores e inferiores. Los materiales declarados para realizar el cálculo son los siguientes: Acero utilizado en la modelación tiene una fluencia de 2200 kg/cm 2, con base en antecedentes históricos de materiales utilizados en la época de construcción el puente. Acero estructural tipo ASTM A36. Hormigón tipo H30. Acero de refuerzo tipo A63 – 42H. Pernos de conexión tipo Huckbolt C50LR, de calidad ASTM A325. Soldadura con electrodo E70XX. En los planos del proyecto de reforzamiento (antecedentes Nº 45 al Nº 49) se indica lo siguiente: Sectores de refuerzo. Acero estructural tipo ASTM A36, para perfiles plegados en caliente, con fluencia mínima de 2500 kg/cm2. Detalles de perfilería utilizada en el proyecto de refuerzo.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO A

Página 12 de 18

Según los antecedentes entregados por el mandante, este proyecto de refuerzo no fue ejecutados, sino sólo el proyecto de rehabilitación. 2.2.5 Proyecto de protección con pintura anticorrosiva En los antecedentes Nº 1 y Nº 2 se indica que durante la visita a terreno realizada el 03 de agosto de 2015, correspondiente a la entrega de terreno para la ejecución del proyecto de mantención del puente mediante pintura anticorrosiva, se observaron algunos daños en la estructura no detectados con anterioridad. En base a lo anterior, se acordó entre las partes realizar un catastro de dichos daños observados, para analizar eventuales aumentos de obras. El catastro detallado de los daños, con su respectivo análisis de aumento de obras, no se tiene a la vista en la presente revisión, solo se indica la ubicación de los 14 tirantes defectuosos, los cual se distribuyen de la siguiente manera: un tirante dañado en el tramo 6, 5 tirantes dañados y 2 tirantes cortados en el tramo 5, 3 tirantes dañados en el tramo 4, 2 tirantes dañados en el tramo 2 y un tirante dañado en el tramo 1. En el antecedente Nº 9 se presenta un esquema de los 14 tirantes que serán reemplazados (2016). En el antecedente Nº 10, informe de recepción final del proyecto de protección anticorrosiva del puente Toltén, confeccionado por grupo EFE, se realiza un resumen de las actividades realizadas durante la ejecución del proyecto. No se tienen a la vista antecedentes (planos o esquemas) que indiquen la ubicación de los elementos defectuosos de las estructuras metálicas que se cambiaron, tampoco los procedimientos para realizar este trabajo, ni las especificaciones técnicas del material. No se tiene a la vista el procedimiento para el cambio de tirantes, tampoco los procedimientos para realizar este trabajo, ni las especificaciones técnicas del material. 2.3 Trenes de carga En los antecedentes Nº 11 y Nº 12 se presentan los distintos trenes de carga de diseño, utilizados por EFE, y trenes de carga para distintas disposiciones de trenada, para distintos tipos de locomotoras. En la Figura 2.2 se muestran los pesos por ejes del tren Tipo B empleado para el diseño actual del puente, mientras que en la Figura 2.3 se muestran los pesos por ejes de la locomotora 2340 correspondiente a la locomotora empleada el día del colapso del puente.

Figura 2.2: Tren tipo B EFE.

Figura 2.3: Locomotora 2340.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

Página 13 de 18

ANEXO A

En el antecedente Nº 13 se define la composición de la trenada al día del colapso del puente (18/08/2016) como: Locomotora 2344 + 2 tolvas de caliza + 2 estanques con petróleo + 3 estanques con soda cáustica + 2 estanques con clorato de sodio + 41 carros cortina vacíos. Este antecedente también entrega los pesos brutos de cada carro, estanque, tolva y locomotora, lo que permite confeccionar el tren de carga que transitó al momento de la falla. En la Tabla 2.2 se muestra la composición del tren el día del colapso del puente. Tabla 2.2. Composición de la trenada al día del colapso del puente (18/08/2016) Nº carro Nombre Tipo de Carga Peso bruto [tonf] 0 Locomotora 114.0 1 Tolva Caliza 66.5 2 Tolva Caliza 67.4 3 Estanque Petróleo 67.1 4 Estanque Petróleo 66.8 5 Estanque Soda cáustica 76.0 6 Estanque Soda cáustica 75.3 7 Estanque Soda cáustica 75.4 8 Estanque Clorato de sodio 69.6 9 Estanque Clorato de sodio 70.3 10 - 41 Cortina Vacíos 14.0 - 17.4 Debido al desplome del puente, los estanques de petróleo, soda cáustica, clorato de sodio y 5 carros cortina vacíos resultaron con daños. Además, los estanques de petróleo, soda cáustica y clorato de sodio quedaron bajo agua. En los registros de circulación del antecedente Nº 14, se presenta el detalle del número de vagones y locomotoras, el peso y longitud de cada tren que transitó por el puente Toltén entre las fechas 31/07/2016 y 18/08/2016 (día del colapso del puente). En la Tabla 2.3 se presenta un resumen de la circulación de trenes entre las fechas mencionadas. No obstante la información entregada, se requiere mayor antigüedad en el registro de circulación, para estimar frecuencias en la solicitación y niveles de cargas a los que se vio sometido el puente durante su vida útil. Tabla 2.3 Resumen de circulación entre 31/07/2016 al 18/08/2016. Fecha 31-07-2016 01-08-2016

02-08-2016

03-08-2016

Nº Nº Locomotoras carros

Peso total carros (tonf)

Longitud total (m)

2

40

1550.4

539.6

1

39

1035.4

521.9

1

41

705.7

539.6

1

31

1386.3

1

51

2

Fecha

Nº Nº Peso total Locomotoras carros carros (tonf)

Longitud total (m)

1

37

639.9

519.2

2

41

2623.9

559.0

1

47

1183.0

623.9

409.1

1

30

537.1

397.8

1367.7

679.3

2

46

2712.4

624.1

46

2722.3

624.9

1

46

974.6

605.2

1

43

1428.6

565.7

1

50

1289.5

656.6

2

50

1901.1

682.6

2

46

2712.4

623.6

1

43

644.6

565.7

1

46

1039.4

614.7

1

50

739.6

653.3

2

50

2805.3

676.2

09-08-2016

10-08-2016

11-08-2016

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268 Nº Nº Locomotoras carros

Fecha

04-08-2016

05-08-2016 06-08-2016

07-08-2016

08-08-2016

Página 14 de 18

ANEXO A Peso total carros (tonf)

Longitud total (m)

Fecha

Nº Nº Peso total Locomotoras carros carros (tonf)

Longitud total (m)

2

39

1533.0

522.8

1

43

649.2

563.7

1

24

1789.4

353.0

1

26

1211.2

357.9

1

37

1983.4

516.4

2

39

1546.2

525.8

2

39

1533.0

522.8

1

48

1207.8

631.8

1

40

688.3

522.8

2

50

2816.8

677.2

1

40

688.3

522.8

1

31

1392.5

405.1

1

37

1227.4

501.2

2

49

2796.2

667.3

1

43

1428.6

565.7

1

43

1423.2

563.7

1

43

644.6

565.7

1

43

1423.2

563.7

1

50

853.2

646.4

1

52

1143.8

684.9

1

14

233.5

206.8

2

49

2794.3

664.3

2

29

1191.8

397.8

1

56

1554.8

747.9

1

44

1537.2

581.0

1

43

649.2

563.7

1

30

1341.3

397.3

1

25

371.0

331.3

1

43

1423.2

563.7

1

51

1289.1

673.3

1

43

1423.2

563.7

2

49

2864.3

661.2

1

43

904.2

577.3

2

49

2785.4

661.5

1

24

967.3

339.6

1

50

1289.5

656.6

12-08-2016

13-08-2016

14-08-2016

15-08-2016 16-08-2016 17-08-2016 18-08-2016

De la revisión de los registros de circulación tenidos a la vista, se observa que durante el 31 de julio y el 18 de agosto, existe una circulación de 1 a 4 trenes por día sobre el puente, teniendo configuraciones de trenada que consideran 1 o 2 locomotoras y 24 a 50 carros. Las locomotoras empleadas corresponden a locomotoras tipo 1800 (108 tonf), 2340 (114 tonf), 2350 (135tonf) y 2360 (peso desconocido), mientras que los carros alcanzan pesos de hasta 76.1 tonf. 2.4 Planos estructurales del puente El antecedente Nº 15 corresponde a un plano de la estructura original del puente (ver Figura 2.4 y Figura 2.5) previo refuerzo con tirantes, donde se indican los niveles de la base de las distintas cepas (1898). De este plano se estimaron las coberturas de suelo (enterramiento) de las cepas del puente en el año 1898, las cuales se presentan en la Tabla 2.4. En particular la cepa N° 4 presenta una cobertura del orden de 8.5 m.

N

C-1

C-2

C-3

C-4

Figura 2.4: Plano de estructura original del puente, cepas N° 1, 2, 3, 4 y 5.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

C-5

INFORME N° 1.150.268

Página 15 de 18

ANEXO A

C-6

C-7

C-8

Figura 2.5: Plano de estructura original del puente, cepas N° 6, 7 y 8. Tabla 2.4 Coberturas de suelo de acuerdo al plano de estructuras original (1896). Cepa

Longitud total (m)

Pila Oriente (aguas arriba) Longitud libre media1 Cobertura de suelo (m) (m)

Longitud total (m)

Pila Poniente (aguas abajo) Longitud libre media1 Cobertura de suelo2 (m) (m)

C-1 20.5 9.70 10.8 21.56 9.70 11.86 C-2 15.29 8.09 7.20 15.11 8.09 7.02 C-3 14.79 7.36 7.43 15.02 7.36 7.66 C-4 16.45 7.97 8.48 16.85 7.94 8.91 C-5 17.79 9.85 7.94 17.89 9.85 8.04 C-6 17.99 9.52 8.47 18.30 9.95 8.35 C-7 20.11 11.08 9.03 20.77 11.08 9.69 C-8 19.81 11.45 8.36 20.20 11.45 8.75 Notas: (1) corresponde a la longitud media medida desde el extremo superior de las pilas hasta el nivel de terreno (seco o lecho del río)

Los antecedentes Nº 16 al Nº 23, corresponden planos estructurales generales y de detalles, del proyecto de refuerzo del puente que implica la instalación del sistema de tirantes que permite aumentar la capacidad del mismo, además del refuerzo de las vigas longuerinas mediante la incorporación de un enrejado dispuesto inferiormente a las vigas (1928). Los antecedentes Nº 24 al Nº 36, corresponden a planos de detalle para fabricación de piezas que componen el sistema de refuerzo de tirantes, que permite el aumento en la capacidad del mismo (1930). Los antecedentes Nº 37, corresponde a plano de reparación para la mesa de apoyo del estribo norte (1953). Los antecedentes Nº 38, corresponde a plano de reemplazo de 20 tirantes, de los cuales 11 se encontraban dañados y 9 cortados (1955). Los antecedentes Nº 39 al Nº 41, presentan planos de la estructura existente levantados por la empresa APIA XXI (2010). En estos planos se indican dimensiones generales y los perfiles constituyentes de cada elemento de la estructura en la condición post sismo 2010. Los antecedentes Nº 42 al Nº 45, corresponden a planos de rehabilitación, donde se indican las zonas a reforzar y reparar para resistir un tren de carga tipo B (2010). Los antecedentes Nº 46 al Nº 50, corresponden a planos de refuerzo, confeccionados por APIA XXI en el año 2010, donde se indican las zonas a

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INFORME N° 1.150.268

ANEXO A

Página 16 de 18

reforzar del puente ya rehabilitado, para resistir un tren de carga tipo C especial. Este refuerzo no se ha llevado a cabo al día de hoy. El antecedente Nº 51 corresponde a un plano de fabricación de piezas para la rehabilitación del puente Toltén, para resistir un tren de carga tipo B (2010). Los antecedentes Nº 52 y Nº 53, presentan planos as built de refuerzos (2016), donde se indican los detalles del encamisado de refuerzo que se realizó a la mesa de apoyo del estribo sur y el refuerzo lateral oriente del estribo sur. El antecedente Nº 54 corresponde un plano de la estructura actual del puente (2016), incluyendo alturas de cepas y distancias de tramos entre cepas. 2.5 Normas y otros documentos 2.5.1

Norma EFE de diseño de puente

El antecedente N°55 corresponde a la norma de EFE NT-01-02-01 -Norma técnica diseño de puentes ferroviarios, la cual especifica el cálculo de las tensiones admisibles de los elementos estructurales del puente. Las disposiciones indicadas en la norma EFE, se basan en la norma AREMA, American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (Antecedente N°56). 2.5.2

Peso del contrapeso

El antecedente N°77, entregado por EFE, indica una estimación del peso de los contrapesos ubicados en el estribo sur del puente. A partir de los planos originales del contrapeso, los cuales indican que estos se componen de placas de acero dispuestas ordenadamente y la incorporación de mortero para rellenar los huecos, se estima un peso de 42500kgf para cada contrapeso. 2.5.3

Refuerzo de Puentes Metálicos en los FF.CC. Del E. (Chile)

El antecedente Nº 58 corresponde al libro “Refuerzo de Puentes Metálicos en los FF. CC. Del E. (Chile)”, elaborado por Julio Tapia Cabezas, Ingeniero Civil, jefe de cálculo de puentes de los FF. CC. Del E. (Chile) en 1945, el cual se orienta en el estudio de puentes ferroviarios construidos en a finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX. En este documento se indica que la mayoría de los puentes ferroviarios metálicos construidos en Chile hasta esa fechas, fueron diseñados y construidos por la compañía francesa Schneider & Creuzot, y que el reforzamiento de dichos puentes comenzó a tomar importancia en el año 1918, con motivo de la adquisición de nuevas locomotoras de mayores cargas que las originales, las que tenían cargas por ejes del orden de 14ton y que en el año 1941 llegaron a 25ton. El documento indica que en otros puentes metálicos diseñados y construidos por la misma compañía francesa Schneider & Creuzot, en la misma década, se usaron aceros con límites de fluencia entre 210 MPa y 220 MPa y límites de rotura entre 250 MPa y 310 MPa. Respecto al puente Toltén, el documento indica que originalmente fue diseñado para resistir 4000 kgf por metro lineal, y que fue reforzado en una campaña masiva de refuerzo de puentes ubicados de Temuco al Sur a partir del año 1926.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO A

Página 17 de 18

Respecto a los tipos de refuerzos, el documento señala 9 tipos de refuerzo distintos empleados en dichos años (Refuerzo “tipo A” hasta refuerzo “tipo I”), los cuales consideran incorporación de apoyos, incorporación de vigas, unión de elementos, incorporación de enrejados superiores e inferiores, generación de marcos rígidos y sistemas de atirantamiento. Respecto al sistema de atirantamiento, se tiene antecedentes que el puente Maule de 400 m de largo con tramos de 50 m y 60 m, fue uno de los primeros puentes que se reforzó mediante un sistema de atirantamiento con contrapesos en los estribos, lo que en su momento fue ampliamente criticado por no tener experiencia ni certeza de su comportamiento, lo que finalmente se aceptó sólo como refuerzo provisional, fijando 10 años de duración. El refuerzo empleado para el puente Toltén corresponde al dominado refuerzo “tipo F”, similar al empleado en el puente Maule, pero suprimiendo un contrapeso y poniendo en su lugar un anclaje. Este refuerzo consiste en colocar una cadena con tensión que por medio de tirantes transmite esfuerzos hacia arriba de las vigas reforzadas, transformando el puente en una especie de puente suspendido. El documento indica que este tipo de refuerzo es de carácter provisional y no se recomienda, ya que su efectividad depende del funcionamiento del contrapeso, lo cual requiere una continua inspección, además, la eventual cortadura de tirantes genera problemas de cambios de tensiones y fallas en los puntos de apoyo del contrapeso. Un punto crítico de este tipo de refuerzo es la conexión de los tirantes a la cadena y viga, ya que esta barra debe ser rotulada en sus dos extremos, y si por cualquier motivo estas barras no pueden girar, se generan esfuerzos excesivos y hasta corte de las mismas. El documento señala además, que se ha producido el corte reiterado de tirantes del puente Toltén. 2.6 Informes post colapso del puente El antecedente Nº 72 muestra una serie de perfiles topo-batimétricos transversales al río Toltén, aguas arriba y aguas abajo del puente colapsado, donde se puede obtener la topografía del terreno y profundidad del río. En particular se obtiene un perfil topo – batimétrico a 11 m aguas abajo del eje del puente. 2.7 Videos y fotografías El antecedente Nº 75 muestra una serie de fotografías tomadas por APIA XXI en mayo de 2010, una vez ejecutadas las reparaciones de emergencia, posteriores al sismo del mismo año. De las fotografías se puede identificar el reemplazo de 15 tirantes, los cual se distribuyen de la siguiente manera: un tirante en el tramo 1, 1 tirante en el tramo 3, 1 tirante en el tramo 4, 4 tirantes en el tramo 5, 2 tirantes en el tramo 6, 3 tirantes en el tramo 8 y 2 tirantes en el tramo 9. Considerando el antecedente Nº75 y el antecedente Nº 9 (reemplazo de tirantes año 2016) se puede identificar y comparar los tirantes que se han reemplazado en dichas fechas. En la Tabla 2.5 se muestran los tirantes reemplazados en los años 2010 y 2016. Tabla 2.5. Cantidad de tirantes reemplazados años 2010 y 2016. Cantidad de tirante reemplazados Total Tramo Nº Año 2010 Año 2016 Oriente Poniente Oriente Poniente Oriente Poniente 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 1 1 4 1 1 2 2 2 5 3 1 5 2 8 3

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO A

Página 18 de 18

Cantidad de tirante reemplazados Total Tramo Nº Año 2010 Año 2016 Oriente Poniente Oriente Poniente Oriente Poniente 6 1 1 1 1 2 7 8 1 2 1 2 9 1 1 1 1 Respecto a los 20 tirantes reemplazados en el año 1955 (antecedente Nº 38), el plano donde se indica la posición de éstos, no tiene la orientación del norte y el sur, por lo que no es posible establecer la cantidad de tirantes reemplazados en cada tramo. Sin embargo, dada la simetría de la estructura, se puede obtener que en el tramo simple Nº5 se reemplazó 1 tirante del lado poniente en dicha fecha. 2.8

Procedimientos constructivos de reparaciones y refuerzos

El antecedente N°78, lista las obras extraordinarias a realizadas en el puente en el presente año, adicionales a la aplicación de la pintura anticorrosiva: I.

Reparación de grietas y fisuras en el estribo sur lado del puente. La obra corresponde a la construcción de un refuerzo estructural en base a un encamisado de hormigón armado en el costado del muro dañado. Con anterioridad, las grietas deben ser selladas con sikadur-52.

II.

Reparación de grietas fisuras en la mesa de apoyo de estribo sur del puente. La obra corresponde a la construcción de un refuerzo estructural en base a un encamisado de hormigón armado en que rodeará la mesa de apoyo.

III.

Sellado de grietas de muro espaldar de estribo sur con sikadur-52. Corresponde a sellar-la grieta con sikadur-52, previo a una limpieza con chorro de agua o aire a compresión.

IV.

Nivelación de contrapeso y restitución de tirantes. La obra corresponde a nivelar el contrapeso situado en el suelo y restituir los tensores que se encuentran en mal estado o cortados.

V.

Daños estructura metálica estribo sur La obra corresponde al reemplazo de elementos (Montante y Gousset) de la estructura metálica del puente, los que se encuentran dañados o corroídos en la zona del estribo sur.

VI.

Daños estructura metálica Tramo 3 y 9 Correspondiente al reemplazo de elementos (diagonales) de la estructura metálica, los que se encuentran cortados o dañados en los tramos 3 y 9 del puente.

Los antecedentes N°79 a 82, corresponden a procedimientos constructivos asociados a las reparaciones y refuerzos realizados al puente en el año 2016, descritos en el punto anterior. La reposición de tirantes se realiza mediante el control de deformaciones mediante mediciones topográficas de los contrapesos y la catenaria de la cadena del sistema de atirantamiento.

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INFORME Nº 1.150.268

ANEXO B

ANEXO B: FICHAS LEVANTAMIENTO LÁSER

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 1 de 7

LOCOMOTORA

TRAMO 9

TRAMO 8

TRAMO 7

TRAMO 6

CARRO 1

CARRO 2

CEPA Nº5

TRAMO 4

ELEVACIÓN N-S

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº3

TRAMO 5

TRAMO 5

TRAMO 5

TRAMO 4

CARRO 10

TRAMO 3

TRAMO 2

CARRO 17

CARRO 18

CARRO 19

TRAMO 1

CARRO 20

CARRO 21

CARRO 22

ELEVACIÓN N-S

ESTRIBO NORTE

CARRO 16

CEPA Nº1

CARRO 15

ELEVACIÓN N-S

CARRO 14

CEPA Nº2

CARRO 13

ELEVACIÓN N-S

CARRO 12

CEPA Nº3

CARRO 11

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº7

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº8

ELEVACIÓN N-S

ESTRIBO SUR

CEPA Nº4

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 9

CEPA Nº6

TRAMO 8

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 7

CEPA Nº5

TRAMO 6

ELEVACIÓN N-S

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº7

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº8

ELEVACIÓN N-S

ESTRIBO SUR

TRAMO 9

CEPA Nº6

TRAMO 8

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 7

CEPA Nº5

TRAMO 6

R

ELEVACIÓN N-S

Indica dirección de desplazamiento de la Pila

PERSPECTIVA NOR - PONIENTE

CEPA Nº4

CEPA Nº4

CEPA Nº6

CEPA Nº3

ELEVACIÓN N-S

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº7

CEPA Nº2

ELEVACIÓN N-S

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº8

TRAMO 3

CEPA Nº1

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 2

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº2

TRAMO 4

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 1

ELEVACIÓN N-S

ESTRIBO NORTE

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 3

CEPA Nº1

TRAMO 2

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 1

ESTRIBO SUR

VISTAS GENERALES

ESCALA 1:1000

ELEVACIÓN ORIENTE

ESCALA 1:1000

ELEVACIÓN PONIENTE

ESCALA 1:1000

PLANTA ELEVACIÓN N-S

ESTRIBO NORTE

PERSPECTIVA SUR - PONIENTE

NOTA:

Cepas Nº 1 a 7: Diámetro 2.6 m aprox. Cepa Nº 8: Diámetro 3.1 m aprox., conexiones a nivel superior y a nivel de terreno Levantamiento realizado en los días 19 y 20 de agosto del año 2016 +/-0.00 Nivel inferior estructura puente

(Nivel +/- 0.00 definido en estribo/apoyo norte)

+/-0.00 Nivel superior cepas

TRAMO DOBLE 1 y 2 ESCALA 1:200

CARRO 21

CARRO 20

CARRO 19

- 22

CARRO 18

+/-0.00

5,4 cm

CARRO 17

0.0 cm

ELEVACIÓN PONIENTE

CARRO 16

R

+/-0.00 +6

257

CEPA Nº2

Indica dirección de desplazamiento de la Pila

CARRO 15

NOTA:

(Nivel +/- 0.00 definido en estribo/apoyo norte)

+/-0.00 Nivel superior cepas

Cepas Nº 1 a 7: Diámetro 2.6 m aprox. Cepa Nº 8: Diámetro 3.1 m aprox., conexiones a nivel superior y a nivel de terreno Levantamiento realizado en los días 19 y 20 de agosto del año 2016 +/-0.00 Nivel inferior estructura puente

747

CARRO 22

+/-0.00 +/-0.00

ESTRIBO NORTE 260

CEPA Nº1

ESCALA 1:125

4,9 cm

CEPA Nº2

4.0 cm

PILA ORIENTE ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

257

CEPA Nº1

0,0 cm

260

ELEVACIÓN PONIENTE

ESCALA 1:125

4,7 cm

PILA ORIENTE ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

707

CARRO 14

CARRO 13 CARRO 12 CARRO 11

7,9 cm

-16

256

CEPA Nº3

718

TRAMO DOBLE 3 y 4 ESCALA 1:200

+/-0.00 +6

257

CEPA Nº2

4,2 cm

CEPA Nº3

4,9 cm

ESCALA 1:125

5,4 cm 0.0 cm

5,9 cm

PILA ORIENTE ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

256

ESCALA 1:125

257 PILA ORIENTE

ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

ELEVACIÓN PONIENTE

CEPA Nº2

747

12 cm

CARRO 10

5,7 cm

ELEVACIÓN PONIENTE

R

NOTA:

POSICIÓN APROXIMADA DE LA CEPA Nº 4

Indica dirección de desplazamiento de la Pila

Cepas Nº 1 a 7: Diámetro 2.6 m aprox. Cepa Nº 8: Diámetro 3.1 m aprox., conexiones a nivel superior y a nivel de terreno Levantamiento realizado en los días 19 y 20 de agosto del año 2016 +/-0.00 Nivel inferior estructura puente

(Nivel +/- 0.00 definido en estribo/apoyo norte)

+/-0.00 Nivel superior cepas

0,0 cm

TRAMO SIMPLE 5 ESCALA 1:200

POSICIÓN APROXIMADA DE LA CEPA Nº 4

CEPA Nº5 ESCALA 1:125

252

0,0 cm

PILA ORIENTE ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

3,8 cm

ELEVACIÓN PONIENTE

+4

-3.6

252

CARRO 2

CEPA Nº5

892

R

NOTA:

Indica dirección de desplazamiento de la Pila

Cepas Nº 1 a 7: Diámetro 2.6 m aprox. Cepa Nº 8: Diámetro 3.1 m aprox., conexiones a nivel superior y a nivel de terreno Levantamiento realizado en los días 19 y 20 de agosto del año 2016 +/-0.00 Nivel inferior estructura puente

(Nivel +/- 0.00 definido en estribo/apoyo norte)

+/-0.00 Nivel superior cepas

CARRO 2

CARRO 1

3,8 cm

0,0 cm

CEPA Nº6 ESCALA 1:125

252

0,0 cm

PILA ORIENTE ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

-22

-3.6

252

CEPA Nº6

4,7 cm

CEPA Nº6 ELEVACIÓN PONIENTE

0,0 cm

CEPA Nº7 ESCALA 1:125

254 PILA ORIENTE ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

0,0 cm 0,0 cm

CEPA Nº7 ELEVACIÓN PONIENTE

R

NOTA:

-4

-3.6

254

CEPA Nº7

Indica dirección de desplazamiento de la Pila

(Nivel +/- 0.00 definido en estribo/apoyo norte)

+/-0.00 Nivel superior cepas

Cepas Nº 1 a 7: Diámetro 2.6 m aprox. Cepa Nº 8: Diámetro 3.1 m aprox., conexiones a nivel superior y a nivel de terreno Levantamiento realizado en los días 19 y 20 de agosto del año 2016 +/-0.00 Nivel inferior estructura puente

924

TRAMO DOBLE 6 y 7

-3.6

0,0 cm

ELEVACIÓN PONIENTE

885

ESCALA 1:200

+4

252

CEPA Nº5

CEPA Nº5 ESCALA 1:125

0,0 cm

PILA ORIENTE

ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

252

892

TRAMO DOBLE 8 y 9

-3.6

0,0 cm 0,0 cm

CEPA Nº7 ELEVACIÓN PONIENTE

CEPA Nº8 ESCALA 1:125

315

133

PILA ORIENTE ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

0,0 cm

-21

-3.6

315

CEPA Nº8

ELEMENTOS DE CONEXIÓN ENTRE PILAS

815

ESCALA 1:200

-4

254

CEPA Nº7

0,0 cm

CEPA Nº7 ESCALA 1:125

254 PILA ORIENTE

ELEVACIÓN SUR

PILA PONIENTE

101

924

0,0 cm

ELEVACIÓN PONIENTE

R

NOTA:

+/-0.00

-11

ESTRIBO SUR

Indica dirección de desplazamiento de la Pila

Cepas Nº 1 a 7: Diámetro 2.6 m aprox. Cepa Nº 8: Diámetro 3.1 m aprox., conexiones a nivel superior y a nivel de terreno Levantamiento realizado en los días 19 y 20 de agosto del año 2016 +/-0.00 Nivel inferior estructura puente

(Nivel +/- 0.00 definido en estribo/apoyo norte)

+/-0.00 Nivel superior cepas

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ANEXO C

ANEXO C: LEVANTAMIENTO DE DAÑOS

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 1 de 39

INFORME N° 1.150.268

1.

ANEXO C

Página 2 de 39

INSPECCIÓN GENERAL

En los días 19 y 20 de agosto de 2016 se realizó la inspección del puente ferroviario Toltén (junto con el levantamiento geométrico a través de escáner láser 3D), cuyo principal objetivo fue constatar la forma general de la falla del puente, mediante un levantamiento de los daños de los principales elementos y registrando las características relevantes del colapso, apoyada con un registro fotográfico. Destaca a primera vista el colapso de 3 tramos de los 9 que posee el puente (tramos Nº 3, Nº 4 y Nº 5), junto con la falla de la cepa Nº 4, que apoya los tramos Nº 4 y Nº 5, y cuyas 2 pilas quedaron bajo agua, además, la estructura de refuerzo (sistema de atirantamiento) del puente sufrió diversos daños a lo largo del puente. En las Figura 1.1 y Figura 1.2 se muestran vistas generales de la posición en la que quedó el puent e, extraídas desde los videos de drones proporcionados por EFE.

(a) (b) Figura 1.1: Vista aérea general: a) sur- poniente; b) aérea superior.

Figura 1.2: Vista aérea poniente. De lo visto en terreno, es claro el colapso de la cepa Nº 4, la cual correspondía a la primera cepa que se ubicaba en el cauce desde la rivera norte en la actualidad. Del tren de carga que transitaba desde el norte hacia el sur, cayeron al lecho del rio los vagones Nº 3 al 9, que correspondían a los que llevaban mayores cargas, quedando los dos primeros vagones en el tramo Nº 6, y los restantes vagones que iban sin carga en los tramos del lado norte. Al momento de la inspección, la locomotora se había trasladado fuera del puente, en el terraplén de acceso sur. En la Figura 1.3 se presentan vistas generales de los tramos colapsados por el costado oriente y poniente.

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ANEXO C

Página 3 de 39

(a) (b) Figura 1.3: Vista general: a) oriente; b) poniente zona colapsada. Los tramos Nº 4 y Nº 5 quedaron parcialmente apoyados en las cepas Nº 3 y Nº 5, respectivamente, y con aproximadamente la mitad de su extensión bajo agua; se aprecia que la parte superior de estos tramos se torció hacia el poniente, salvo el tramo Nº 4 al llegar a la cepa Nº 3, donde se aprecia una torsión en sentido contrario, además, se observa un corrimiento lateral de los tramos en el sentido del flujo. En la Figura 1.4 se muestra una vista general de los tramos Nº 4 y Nº 5.

Figura 1.4: Vista poniente tramos Nº 4 y Nº 5. El tramo Nº 5, que correspondía al tramo simplemente apoyado, si bien sufrió deformaciones severas, no se evidencia en su porción visible fracturas de los elementos principales de la viga enrejada (en las inspecciones posteriores se evidenció una fractura en dicho segmento). Sobre la cepa Nº 5 la torre que sostiene las cadenas de refuerzo del lado norte (contigua al tramo Nº 5) se salió de su apoyo rotulado simple, por lo que quedó colgada de la torre adyacente. En las Figura 1.5 y Figura 1.6 se muestra el tramo Nº 5 al llegar a la cepa Nº 5.

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ANEXO C

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(a) (b) Figura 1.5: Vista: a) superior poniente cepa Nº 5; b) oriente de tramo Nº 5 al llegar a cepa Nº 5.

Figura 1.6: Vista frontal tramo Nº 5 al llegar a cepa Nº 5. El tramo Nº 4, que pertenece al tramo doble con apoyo central en la cepa Nº 3, presenta mayores deformaciones e incluso fracturas múltiples en sus elementos principales. En efecto, este tramo muestra una gran deformación por torsión, la que cambia de dirección al llegar a la cepa Nº 3. También, en este extremo se aprecian fracturas a nivel de la cuerda superior, cuerda inferior (atribuibles al impacto de la caída) y diagonales que conectan ambas cuerdas. En la Figura 1.7 se muestra una vista superior con la torsión del tramo y la presencia de un par de vagones. En la Figura 1.8 se aprecia que la fractura principal del costado oriente en el apoyo de la cepa Nº 3 se produjo por el norte (tramo Nº 3), sin embargo, en la Figura 1.9 se observa que la fractura principal del costado poniente en el mismo apoyo se produjo por el sur, es decir, en el tramo Nº 4.

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ANEXO C

(a)

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(b) Figura 1.7: Vista superior: a) tramo Nº 4; b) norte tramo Nº 4.

(a) (b) Figura 1.8: a) Vista superior oriente tramo Nº 4, cepa Nº 3 y tramo Nº 3; b) vista oriente tramo Nº 4, cepa Nº 3 y tramo Nº 3.

Figura 1.9: Vista poniente tramo Nº4 y cepa Nº 3.

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ANEXO C

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La torre sobre la cepa Nº 3 cayó hacia el lado oriente del puente, como se aprecia en la Figura 1.8, presentando una deformación por torsión en la viga que conecta ambas columnas y llevando consigo las cadenas de refuerzo y, por lo tanto, cortando los tirantes que conectan las cadenas de refuerzo con las vigas enrejadas de los tramos. El tramo Nº 3 colapsó en su extremo sur al llegar a la cepa Nº 3, donde se presentan múltiples fracturas en sus elementos principales, generando una separación completa de la viga enrejada con el sector que se apoya en la cepa Nº 3. En la Figura 1.10 se muestran vistas generales oriente y poniente del tramo Nº 3, en tanto que en la Figura 1.11 se muestra una vista aérea del daño severo al llegar a la cepa Nº 3, y en la Figura 1.12 se muestran acercamientos de las zona de mayor daño en la proximidad de la cepa Nº 3, por los costados oriente y poniente respectivament e.

(a) (b) Figura 1.10: a) Vista oriente tramo Nº 3, Nº 2 y Nº 1; b) vista ponient e tramo Nº 3, Nº 2 y Nº 1.

(a) (b) Figura 1.11: a) Vista superior tramo Nº 3, al llegar a cepa 3; b) vista oriente tramo Nº 3 al llegar a cepa Nº 3.

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ANEXO C

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Figura 1.12: Vista poniente tramo Nº 3 al llegar a cepa Nº 3. La torre sur sobre la cepa Nº 2 se salió de su posición desplazándose la viga enrejada hacia el ponient e, y cayendo uno de los apoyos móviles. En la Figura 1.13 se aprecia lo mencionado.

Figura 1.13: Vista oriente cepa Nº 2. En el tramo Nº 1 la columna oriente de la torre sobre el estribo se salió de su posición, generándose un giro lateral de la torre, como se aprecia en la Figura 1.14.

Figura 1.14: Torre estribo norte. ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

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Página 8 de 39

ANEXO C

Tanto en el tramo Nº 1 como en el tramo Nº 2, se presentan varios tirantes cortados frágilmente, en particular los más cortos; también se observan tirantes deformados debido a la imposibilidad de desarrollar giro en sus extremos, esta situación se aprecia en la Figura 1.15.

(a) (b) Figura 1.15: a) Tirante cortado tramo Nº 1 lado poniente; b) Tirantes cortados y deformados en tramo Nº 2. En los tramos del sector sur también se observan tirantes cortados, pero con menor recurrencia. Como consecuencia del colapso de los tramos centrales, del corte de tirantes y de la caída de algunas torres, las cadenas de refuerzo de ambos costados del puente se destensaron y las torres se giraron o se salieron de su posición. 2.

LEVANTAMIENTO DE DAÑOSDE LA SUPERESTRUCTURA

Los días 23, 24 y 25 de noviembre, se realizó una inspección específica de la superestructura del puent e, con el objetivo de levantar daños presentes en ella. La inspección fue realizada en los tramos no colapsados N° 1, 2, 6, 7, 8 y 9, y en los tramos colapsados N° 3 y la porción en tierra del tramo N° 4. El tramo N° 3 fue fraccionado y retirado del puente, y sus secciones fueron acopiadas en la ribera norte del río. En la Figura 2.1 se presentan los tramos enumerados de norte a sur. T1

T2

T6

T7

T8

Norte

T9

Sur Figura 2.1: Esquema del puente al momento de la inspección, vista poniente.

En la Figura 2.2 se presenta un tramo representativo del puente. Cada uno de los 9 tramos del puente se encuentran constituidos por 13 montantes, ver Figura 2.2, los montantes a su vez son coincidentes con las vigas transversales (TR) que unen las cuerdas superiores, las cuales fueron enumeradas de norte a sur.

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ANEXO C

Sur

Norte

TR0

TR1

TR2

TR3

TR4

TR5

TR6

TR7

TR8

TR9

TR10

TR11

TR12

Figura 2.2: Imagen del tramo 2, vista poniente. Durante la inspección se detectaron grietas incipientes de longitudes del orden de 5 cm a 10 cm en algunas de las vigas transversales de los tramos no colapsados N° 1, 2, 8 y 9, y en el tramo colapsado N° 4, las cuales pueden ser indicios de fatiga local. Tales grietas se ubican en zonas coincidentes, pero con extensiones y orientaciones variables. En la Figura 2.3 se presenta un esquema general del puente, en el que se indica la ubicación general de las grietas. La Figura 2.4 a presenta un esquema indicando la ubicación del daño tipo encontrado y en la Figura 2.4b se presenta una fotografía representativa del daño.

Figura 2.3: Esquema general de ubicación de grietas encontradas en las vigas transversales superiores.

Zona de ubicación de grietas

a

b

Figura 2.4: Grietas encontradas en las vigas transversales superiores: a) ubicación; b) grieta en viga transversal. Dichas grietas no tendrían incidencia en el colapso del puente debido a la zona donde se ubican las mismas y la forma de colapso del puente. A continuación se presentan las grietas detectadas en las vigas transversales del puente.

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ANEXO C

Página 10 de 39

2.1 Tramo 1 • • •

En la viga transversal 1 lado oriente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante, ver Figura 2.5 y Figura 2.6. En la viga transversal 3 lado poniente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante, ver Figura 2.5 y Figura 2.7. En la viga transversal 12 lado oriente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante de cepa, ver Figura 2.5 y Figura 2.8.

Figura 2.5: Imagen tramo 1, vista poniente.

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ANEXO C

Página 11 de 39

Figura 2.6: grieta en viga transversal 1, tramo 1, lado oriente.

Figura 2.7: grieta en viga transversal 3, tramo 1, lado poniente.

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ANEXO C

Página 12 de 39

Figura 2.8: grieta en viga transversal 12, tramo 2, lado oriente. 2.2 Tramo 2 •

En la transversal 11 lado oriente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante, ver Figura 2.9 y Figura 2.10.

Figura 2.9: Imagen tramo 2, vista poniente.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

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ANEXO C

Página 13 de 39

Figura 2.10: grieta en viga transversal 11, tramo 2, lado oriente. 2.3 Tramo 3 colapsado En el tramo 3 colapsado se observa una refuerzo atípico en el lado oriente de la viga transversal 12, en la conexión con el montante de apoyo, ver Figura 2.11.

Figura 2.11: Refuerzo atípico en la viga transversal 12, tramo 3, lado oriente. 2.4 Tramo 4 colapsado Se observaron grietas en las zonas coincidentes con las evidenciadas en las vigas transversales indicadas en los tramos 1, 2, 7, 8 y 9. En la Figura 2.12 se presenta una grieta tipo observada en el tramo 4.

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ANEXO C

Página 14 de 39

Figura 2.12: grieta en viga transversal 4, tramo 4, lado oriente. Se detectó un refuerzo atípico en el lado oriente de la viga transversal 1 sobre la cepa 3, ver Figura 2.13.

Figura 2.13: Refuerzo atípico en la viga transversal 1, tramo 4. 2.5 Tramo 7 •

En correo enviado por personal de EFE el 30 de noviembre, se envía una fotografía de una grieta detectada en la cuerda superior, la que de acuerdo a nuestros registros se ubicaría en el módulo 10 del tramo 7, ver Figura 2.14 y Figura 2.15.

Figura 2.14: Imagen tramo 7, vista poniente.

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ANEXO C

Página 15 de 39

Figura 2.15: grieta en cuerda superior módulo 9-10, tramo 7, lado oriente. 2.6 Tramo 8 • •

En la transversal 1 lado poniente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante, ver Figura 2.16 y Figura 2.17 En la transversal 3 lado poniente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante, ver Figura 2.16 y Figura 2.18.

Figura 2.16: Imagen tramo 8, vista poniente.

Figura 2.17: grieta en viga transversal 10, tramo 8, lado poniente.

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ANEXO C

Página 16 de 39

Figura 2.18: grieta en viga transversal 11, tramo 8, lado poniente. 2.7 Tramo 9 •

En la transversal 3 lado oriente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante, ver Figura 2.19Figura 2.20

•

En la transversal 9 lado oriente, se observó una grieta en la zona cercana a la conexión de la transversal con el montante, ver Figura 2.19 y Figura 2.21.

Figura 2.19: Imagen tramo 9, vista poniente.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

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ANEXO C

Página 17 de 39

Figura 2.20: Grieta en viga transversal 3, tramo 9, lado oriente.

Figura 2.21: Grieta en viga transversal 9, tramo 9, lado oriente.

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3.

ANEXO C

Página 18 de 39

LEVANTAMIENTO DE DAÑOSDE LOS TRAMOSCOLAPSADOS

El levantamiento de daños de los tramos N° 3, N° 4 y N° 5 que colapsaron se realizó por etapas, debido a que fue necesario seccionar (mediante cortes) estos tramos para su retiro. Adicionalmente, se tuvo que realizar una remoción secuencial y planificada de los carros y parte de la estruct ura que quedaron en el lecho del río, lo que significó la ejecución de importantes obras de desvío del rio en torno a las cepas N° 4 y N° 5. La inspección de daños se realizó en los meses de septiembre y noviembre del 2016, y en abril de 2017, mes en el cual se concluyeron las actividades indicadas anteriormente. Dado que durante el colapso de la estructura, en general, se presentan fallas principales o iniciales (origen del colapso), y posteriormente se producen daños o fallas secundarias, que pueden ser a consecuencia de redistribución de esfuerzos o impactos entre partes de la estruct ura o impactos contra el suelo, fue necesario hacer un reconocimiento general inicial de los diversos daños o fallas, para luego determinar cuáles de éstos son de importancia para establecer el mecanismo de colapso. Considerando lo anterior, se estableció que los daños más importantes y reiterativos corresponden a fracturas de los elementos principales de las vigas enrejadas, es decir, la cuerda inferior y la cuerda superior. También, se observaron fracturas y deformaciones en los elementos diagonales, sin embargo, no se detectó que estos sean generalizados, ni que hayan podido generar el colapso de la superestructura. Respecto a los montantes, en general, no presentan daños, salvo algunos pandeos debido al impacto de la superestructura contra el suelo, daños que se incrementaron con la presencia de los carros sobre la superestructura, siendo los carros que transportaban mayor carga los que se encontraban sobre los tramos N° 4 y N° 5. Por otra parte, se observaron algunos daños en las vigas transversales superiores y vigas longuerinas, sin embargo, tales daños localizados serían fallas secundarias (post colapso). A continuación, se presenta el registro de los daños de los elementos principales de los tramos N° 3, N° 4 y N° 5, ordenadas según el tramo y sus módulos, diferenciando entre las vigas enrejadas del lado oriente (aguas arriba) y las vigas enrejadas del lado poniente (aguas abajo), y si están en la cuerda inferior o cuerda superior, además, se detalla si las fracturas son completas o parciales, es decir, si comprometen o no toda la sección del elemento. En la Figura 3.1 se presentan ejemplos de los tipos de daños en los elementos principales: fracturas totales y fracturas parciales.

(a) (b) Figura 3.1: Tipos de fracturas: a) fractura total – tramo 4 - modulo 3 – viga poniente - cuerda inferior; b) fractura parcial – tramo 4 – módulo 4 – viga poniente – cuerda inferior (la estruct ura se encuentra invertida).

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•

Página 19 de 39

ANEXO C

Tramo 3

En la Figura 3.2 se presentan los principales daños, tanto para la viga enrejada del lado oriente como del lado poniente del tramo N° 3, los cuales se resumen en la Tabla 3.1. Los daños se concentran en la zona cercana a la cepa N° 3, la cual es el punto de apoyo central de los tramos N° 3 y N° 4 los cuales conforman un tramo doble.

CEPA N° 3

CEPA N° 2

(a)

CEPA N° 3

CEPA N° 2

(b) Figura 3.2: Esquemas de fracturas de las cuerdas superior e inferior del tramo 3: a) elevación oriente; b) elevación ponient e.

Tramo

T3

Total T3

Tabla 3.1: Registro de fracturas de elementos principales del tramo T3 Viga Oriente Viga Poniente Módulo C inferior C superior Total C inferior C superior Total 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FT

FP

2

FT

FT

2

2

2

4

VO + VP

FP

1

3

FP FT

FT/FP

1 3

1 3 2

2

3

5

9

FT= Fractura total; FP= Fract ura parcial

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•

Página 20 de 39

ANEXO C

Tramo 4

En la Figura 3.3 se presentan los principales daños, tanto para la viga enrejada del lado orient e como del lado poniente del tramo N° 4, los cuales se resumen en la Tabla 3.2. Los daños se concentran en la zona cercana a la cepa N° 3, la cual es el punto de apoyo central de los tramos N° 3 y N° 4 los cuales conforman un tramo doble, y en la cara poniente cercana a la cepa N° 4 (colapsada).

CEPA N° 3

CEPA N° 4 (a)

CEPA N° 3

CEPA N° 4 (b)

Figura 3.3: Esquemas de fracturas de las cuerdas superior e inferior del tramo 4: a) elevación oriente; b) elevación ponient e.

Tramo

T4

Total T4

Tabla 3.2: Registro de fracturas de elementos principales del tramo T4 Viga Oriente Viga Poniente Módulo C inferior C superior Total C inferior C superior Total 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FT

1

FT FP

1

2

FT/FP

FT/FP

4

4

FT FP

FP FP

2 2

3 2

FT

1

2 1

FT FP

FT FT

2 2

2 2

6

7

13

16

1 1

3

VO + VP

FT= Fractura total; FP= Fract ura parcial

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•

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ANEXO C

Tramo 5

En la Figura 3.4 se presentan los principales daños, tanto para la viga enrejada del lado oriente como del lado poniente del tramo N° 5, los cuales se resumen en la Tabla 3.3. Los daños no se ven tan concentrados como en los tramos N° 3 y N° 4, sino más distribuidos a lo largo del tramo.

CEPA N° 4

CEPA N° 5

(a)

CEPA N° 4

CEPA N° 5

(b) Figura 3.4: Esquemas de fracturas de las cuerdas superior e inferior del tramo 5: a) elevación oriente; b) elevación ponient e.

Tramo

T5

Total T5

Tabla 3.3: Registro de fracturas de elementos principales del tramo T5 Viga Oriente Viga Poniente Módulo C inferior C superior Total C inferior C superior Total 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

FT FT

FT

1

FT FT

2 2

2 2

1 1

1 1

FP FP

FT

FT

FT

4

3

7

2

1

2

VO + VP

3

1

1

3

10

FT= Fractura total; FP= Fract ura parcial

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Página 22 de 39

ANEXO C

Se observa una concentración de fracturas en las vigas enrejadas en la proximidad de la cepa N° 3 y en la proximidad de la cepa N° 4 (colapsada), siendo mayor la cantidad de fracturas en torno a la cepa N° 3. También, se puede apreciar que la cantidad de fracturas de los tramos N° 3 y N° 5 es casi nula al llegar a las cepas N° 2 y N° 5, respectivamente. Otro aspecto a destacar es que la viga enrejada del tramo N° 4 es la que presenta la mayor cantidad de fracturas, en particular en su lado poniente. En la Figura 3.5 se presenta un esquema de los tramos N° 4 y N° 5, indicando la zona que fue rescatada debajo del agua y que se inspeccionó, en las cuales se concentraron los mayores daños, los que corresponden a los módulos N° 9, 10, 11 y 12 los módulos N° 1 y 2 del tramo N° 4 y 5 respectivamente.

CEPA N° 3

CEPA N° 4

CEPA N° 5

Figura 3.5: Elevación orient e de los tramos N° 4 y N° 5. La Figura 3.6 y Figura 3.7 muestran los módulos N° 9, 10, 11 y 12 del tramo N° 4, el cual se encuentra invertido (cuerda superior abajo y la cuerda superior abajo), donde se observan los daños, principalmente en el módulo N° 12, el cual se deformó, posiblemente al caer sobre las cepas ya volcadas, produciendo deformaciones transversales y daños localizados importantes en las vigas enrejadas principalmente en el módulo N° 12. MÓDULO N° 12

MÓDULO N° 10

MÓDULO N° 9 CUERDA INFEIROR

CUERDA SUPERIOR MÓDULO N° 11

Figura 3.6: Elevación poniente de los de los módulos N° 9, 10, 11 y 12 del tramo N° 4.

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Página 23 de 39

ANEXO C

MÓDULO N° 9

CUERDA INFEIROR

MÓDULO N° 10

MÓDULO N° 12

CUERDA SUPERIOR

MÓDULO N° 9

Figura 3.7: Elevación oriente de los de los módulos N° 9, 10, 11 y 12 del tramo N° 4. En las Figura 3.8 y Figura 3.9 se presenta una parte de los módulos N° 1 y N° 2 del tramo N° 5, donde se puede identificar la deformación del módulo N°1 producida eventualmente al caer sobre las cepas ya volcadas, produciendo deformaciones transversales y daños localizados importantes en las vigas enrejadas. MÓDULO N° 1

Figura 3.8: Elevación poniente de módulo N° 1 del tramo N° 5.

PARTE DEL MÓDULO N° 2

MÓDULO N° 1

Figura 3.9: Elevación oriente de módulo N° 1 y N° 2 del tramo N° 5.

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ANEXO C

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3.1 Esquemas de daños y levantamiento de daños A continuación se presentan las láminas con el levantamiento completo de los daños principales y un esquema representativo de la estructura y las principales fallas observadas.

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TRAMO 3

50 m

TRAMO 4

50 m

TRAMO 5

50 m

TRAMO 6

50 m

TRAMO 7

50 m

TRAMO 8

50 m

450 m

50 m

TRAMO 5

CEPA Nº8

12

12

ELEVACIÓN N-S

11

CEPA Nº7

10

ELEVACIÓN N-S

9

CEPA Nº6

8

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 5

7

CEPA Nº5

CEPA Nº2

CEPA Nº5

CEPA Nº5

6

TRAMO 5

5

TRAMO 3

ELEVACIÓN N-S

8

TRAMO 4

7

CEPA Nº4

CEPA Nº3

CEPA Nº4

ELEVACIÓN VISTA PONIENTE

6

12

11

CEPA Nº4

7

TRAMO 2

4 5

VAGÓN FF.CC.

ELEVACIÓN PONIENTE

11

10

CEPA Nº3

CEPA Nº3

TRAMO 4

10

9

CEPA Nº2

TRAMO 5

VAGÓN FF.CC.

9

ELEVACIÓN ORIENTE

TRAMO 4

8

NIVEL DE AGUA AGOSTO 2016

8

CEPA Nº1

3

4

50 m

1 2

3

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 3

7

CEPA Nº4

5

7

2

ELEVACIÓN N-S

10 8

TRAMO 3 CEPA Nº3

4

6

NIVEL DE AGUA AGOSTO 2016

VISTA DE PLANTA

1

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº2

CEPA Nº5

CEPA Nº2

1

ELEVACIÓN N-S

11 9

3

TRAMO 1

12

2

R

50 m

TRAMO 9

ORIENTE

PONIENTE

ORIENTE

PONIENTE

TRAMO 4

50 m

TRAMO 5

50 m

TRAMO 6

50 m

TRAMO 7

50 m

TRAMO 8

50 m

450 m

50 m

TRAMO 5

TRAMO 3

MODULO 3

MODULO 8

MODULO 9

MODULO 11

MODULO 12

MODULO 2

MODULO 2

5

MODULO 3

MODULO 4

MODULO 5

8

MODULO 7

TRAMO 5

MODULO 6

7

MODULO 8

50 m

MODULO 10

MODULO 11

MODULO 12

TRAMO 9

MODULO 9

MODULO 11

MODULO 12

MODULO 12

MODULO 8

MODULO 10

MODULO 11

6

6

MODULO 7

TRAMO 5

MODULO 6

MODULO 9

MODULO 10

MODULO 5

MODULO 8

MODULO 9

MODULO 4

MODULO 7

MODULO 8

MODULO 3

MODULO 6

MODULO 7

20

MODULO 5

MODULO 6

MODULO 1

MODULO 4

MODULO 5

18

MODULO 3

MODULO 4

16

MODULO 2

MODULO 3

MODULO 10

MODULO 1

MODULO 2

MODULO 9

MODULO 12

MODULO 1

21

MODULO 11

MODULO 12

19

MODULO 10

MODULO 11

17

MODULO 9

MODULO 10

TRAMO 5 MODULO 8

MODULO 9

15

MODULO 1

CEPA Nº8

MODULO 7

TRAMO 4 MODULO 6

4

MODULO 8

ELEVACIÓN ORIENTE

MODULO 7

TRAMO 4 MODULO 6

MODULO 7

MODULO 7

MODULO 8

ELEVACIÓN PONIENTE

TRAMO 4 MODULO 6

MODULO 6

MODULO 12

ELEVACIÓN N-S

MODULO 5

ENREJADO SUPERIOR

MODULO 5

MODULO 5

MODULO 5

ELEVACIÓN VISTA PONIENTE

MODULO 4

MODULO 4

14

MODULO 4

MODULO 4

MODULO 11

CEPA Nº7

MODULO 3

13

MODULO 3

MODULO 3

MODULO 10

ELEVACIÓN N-S

MODULO 2

MODULO 2

9

CEPA Nº6

MODULO 1

12

MODULO 1

12

MODULO 1

MODULO 1

3

ELEVACIÓN N-S

2

MODULO 12

2

MODULO 12

MODULO 12

MODULO 12

MODULO 12

CEPA Nº5

MODULO 2

50 m

MODULO 11

11

11

MODULO 11

MODULO 11

MODULO 11

ELEVACIÓN N-S

11

MODULO 10

MODULO 10

MODULO 10

CEPA Nº4

MODULO 8

MODULO 9

MODULO 9

MODULO 9

CEPA Nº3

1

MODULO 7

MODULO 8

MODULO 8

MODULO 8

MODULO 2

CEPA Nº2

MODULO 6

1

10

MODULO 7

TRAMO 3 MODULO 6

MODULO 7

MODULO 7

TRAMO 3 MODULO 6

MODULO 6

MODULO 11

CEPA Nº1

MODULO 5

MODULO 5

MODULO 10

ELEVACIÓN N-S

MODULO 4

MODULO 4

MODULO 4

MODULO 4

MODULO 9

ELEVACIÓN N-S

MODULO 3

MODULO 3

MODULO 3

MODULO 3

MODULO 5

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 3 MODULO 10

TRAMO 2

MODULO 9

R

ELEVACIÓN N-S

MODULO 5

50 m

MODULO 2

MODULO 2

MODULO 2

MODULO 2

TRAMO 1

MODULO 1

MODULO 1

MODULO 1

MODULO 1

ENREJADO INFERIOR

FRACTURA

SIMBOLOGÍA

FRACTURA PARCIAL

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 27 de 39

3.2 Registro fotográfico A continuación se presenta el registro fotográfico de las principales fallas indicadas en el esquema de levantamiento de daños.

Figura. 1: Viga oriente, tramo N° 3, modulo N° 7, fractura parcial cuerda superior y fractura total cuerda inferior.

Figura. 2: Viga oriente, tramo N° 3, modulo N° 12, fractura total cuerda superior y fractura total cuerda inferior.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 28 de 39

Figura. 3: Viga oriente, tramo N° 4, modulo N° 3, fractura total cuerda inferior.

Figura. 4: Viga oriente, tramo N° 4, modulo N° 6, fractura total cuerda superior (estructura invertida).

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 29 de 39

Figura. 5: Viga oriente, tramo N° 5, modulo N° 2, fractura total cuerda superior (estructura invertida).

Figura. 6: Viga oriente, tramo N° 5, modulo N° 2, fractura total cuerda superior (estructura invertida).

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 30 de 39

Figura. 7: Viga oriente, tramo N° 5, modulo N° 6, fractura total cuerda inferior (estructura invertida).

Figura. 8: Viga oriente, tramo N° 5, modulo N° 6, fractura total cuerda superior (estructura invertida).

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 31 de 39

Figura. 9: Viga oriente, tramo N° 5, modulo N° 8, fractura parcial cuerda inferior.

Figura. 10: Viga poniente, tramo N° 3, modulo N° 7, fractura parcial cuerda superior.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 32 de 39

v Figura. 11: Viga poniente, tramo N° 3, modulo N° 10 - fractura parcial cuerda inferior, modulo N° 11 – fractura total en cordón superior e inferior.

Figura. 12: Viga poniente, tramo N° 4, modulo N° 1, fractura total y parcial en cuerda inferior y superior

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 33 de 39

Figura. 13: Viga poniente, tramo N° 4, modulo N° 3, fractura total en cuerda inferior.

Figura. 14: Viga poniente, tramo N° 4, modulo N° 4, fractura parcial en cuerda inferior (estructura invertida).

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 34 de 39

Figura. 15: Viga poniente, tramo N° 4, modulo N° 11, fractura total en cuerda inferior (estructura invertida).

Figura. 16: Viga poniente, tramo N° 4, modulo N° 11, fractura total en cuerda superior (estructura invertida).

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 35 de 39

Figura. 17: Viga poniente, tramo N° 4, modulo N° 12, fractura parcial en cuerda inferior (estructura invertida).

Figura. 18: Viga poniente, tramo N° 4, modulo N° 12, fractura total en cuerda superior (estructura invertida).

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 36 de 39

Figura. 19: Viga poniente, tramo N° 5, modulo N° 2, fractura total en cuerda inferior (estructura invertida).

Figura. 20: Viga poniente, tramo N° 5, modulo N° 2, fractura total en cuerda superior (estruct ura invertida).

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO C

Página 37 de 39

Figura. 21: Viga poniente, tramo N° 5, modulo N° 11, fractura total en cuerda inferior.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

4.

Página 38 de 39

ANEXO C

INSPECCIÓN SUBACUÁTICA DE LASCEPASCOLAPSADAS

En la inspección subacuática realizada los días 11 y 12 de abril de 2017, a cargo de la empresa Skyring Marine, en la zona del colapso del puente, permitió observar las condiciones, ubicación y orientación de las pilas oriente y poniente de la cepa N° 4 en el lecho del río. La inspección fue realizada por buzos especializados y fue registrada y transmitida en tiempo real a la superficie mediante un video. En la Figura 4.1 se presenta un esquema de la condición en que se encontraron las pilas de la cepa N° 4, donde se puede observar, a modo general, que la pila poniente esta íntegra, mientras que la pila oriente se encuentra seccionada en dos trozos de longitud similar. Este esquema se toma como referencia para describir los hallazgos más importantes realizados en la inspección. 4

TERRAPLÉN

1

2

DIRECCIÓN DEL FLUJO DELRIO TOLTÉN

Figura 4.1: Esquema en planta de la ubicación y orientación de las pilas de la cepa N° 4 en el lecho del río. En la Figura 4.2 es posible observar el hallazgo N° 1 indicado en Figura 4.1, en donde se ve el extremo inferior de la camisa de acero sin daños y el hormigón simple que se extiende fuera de la camisa entre 25 cm y 30 cm (posiblemente producto del método constructivo). Lo anterior indica que la pila poniente volcó hacia aguas abajo íntegramente, sin presentar fallas en su estructura, pivoteando sobre su fundación o base. Extremo de la camisa de acero sin daños

Hormigón 25 cm – 30 cm

Hormigón 25 cm – 30 cm

(a)

(b) (c) Figura 4.2: Base de la pila poniente. En la Figura 4.3 es posible observar el hallazgo N° 2 indicado en la Figura 4.1, donde se muestra la parte superior de la pila ponient e, en la cual se observa la terminación típica de la camisa de acero y la placa de acero central donde se ubican los apoyos de los tramos N° 4 y N° 5 del puente. Lo anterior confirma el hecho que esta pila volcó hacia aguas abajo.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

Página 39 de 39

ANEXO C

Extremo superior de la camisa de acero sin daños (Se observa la terminación típica de la camisa)

Placa central de acero (Donde se ubican los apoyos de la superestructura)

Hormigón de relleno

(a)

(b) Figura 4.3: Parte superior de la cepa N° 4 ponient e.

En la Figura 4.4 se muestra el hallazgo N° 3 indicado en la Figura 4.1, donde se aprecia una abertura local de la camisa de acero de la pila poniente, localizada a 8 m desde la base de la pila. Se observa la rotura o desprendimiento de los remaches de unión de las planchas de la camisa. No obstant e lo anterior, el núcleo de hormigón y el resto del perímetro de la camisa de acero se aprecian íntegras. Se estima que este daño fue producto de la caída de las pilas y el impacto entre ellas.

Abertura de la camisa de acero en la zona de remaches

Hormigón de relleno a la vista

Figura 4.4: Abertura en la pila poniente. En la Figura 4.5 se muestra el hallazgo N° 4 indicado en la Figura 4.1, donde se muestra la zona de la fractura intermedia de la pila oriente, producida en la zona de conexión con remaches entre planchas de la camisa de acero, con el corte de los remaches y una deformación local por desgarramiento de la camisa de acero. La fractura de la pila se ubica aproximadamente a 8 m medidos desde la parte superior de ésta.

(a)

(b) Figura 4.5: Fractura de la pila oriente.

(c)

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTETOLTÉN - EMPRESA DE LOSFERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

ANEXO D: ANÁLISIS ESTRUCTURAL

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 1 de 28

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 2 de 28

D.1. TENSIONES Y FACTORES DE UTILIZACION EN PERFILES PRINCIPALES DEL TRAMO SIMPLE 1.1 Cuerdas En la Tabla 1.1 se presentan los distintos perfiles que componen las cuerdas superior e inferior, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 1.1 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 1.1 Detalle de perfiles que componen las cuerdas del tramo simple. Geometría Nomenclatura Ubicación tramo simple

Cuerda – 1

Cuerda – 2

Cuerda – 3

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 3 de 28

Figura 1.1: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. En las Figura 1.2, Figura 1.3, Figura 1.4 y Figura 1.5 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en las cuerdas del tramo simple.

Figura 1.2: Tensiones en cara A de la cuerda inferior del tramo simple.

Figura 1.3: Tensiones en cara B de la cuerda inferior del tramo simple. ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 4 de 28

Figura 1.4: Tensiones en cara A de la cuerda superior del tramo simple.

Figura 1.5: Tensiones en cara B de la cuerda superior del tramo simple. En las Figura 1.6, Figura 1.7, Figura 1.8 y Figura 1.9 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla ( trenada del día de colapso del puente) para el tramo simple.

Figura 1.6: FU en cara A de la cuerda inferior del tramo simple. ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Figura 1.7: FU en cara B de la cuerda inferior del tramo simple.

Figura 1.8: FU en cara A de la cuerda superior del tramo simple.

Figura 1.9: FU en cara B de la cuerda superior del tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 5 de 28

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 6 de 28

1.2 Diagonales En la Tabla 1.2 se presentan los distintos perfiles que componen las diagonales, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 1.10 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 1.2 Detalle de perfiles que componen las diagonales del tramo simple. Geometría Nomenclatura Ubicación tramo simple

Diagonal 2

Diagonal 3

Diagonal 4

Figura 1.10: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 7 de 28

En las Figura 1.11 y Figura 1.12 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en las diagonales del tramo simple.

Figura 1.11: Tensiones en cara A de diagonales del tramo simple.

Figura 1.12: Tensiones en cara B de diagonales del tramo simple. En la Figura 1.13 y Figura 1.14 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla (trenada del día de colapso del puente) para el tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Figura 1.13: FU en cara A de diagonales del tramo simple.

Figura 1.14: FU en cara B de diagonales del tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 8 de 28

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 9 de 28

1.3 Vigas longuerinas En la Tabla 1.3 se presenta el perfil de la viga longuerina, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 1.15 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 1.3 Detalle de perfiles de viga longuerina del tramo simple. Geometría Nomenclatura Ubicación tramo simple

Viga Longuerina

Figura 1.15: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. En las Figura 1.16 y Figura 1.17 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en viga longuerina del tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 10 de 28

Figura 1.16: Tensiones en cara A de la viga longuerina del tramo simple.

Figura 1.17: Tensiones en cara B de la viga longuerina del tramo simple. En las Figura 1.18 y Figura 1.19 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla (trenada del día de colapso del puente) para el tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Figura 1.18: FU en cara A de viga longuerina del tramo simple.

Figura 1.19: FU en cara B de viga longuerina del tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 11 de 28

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 12 de 28

1.4 Vigas transversales En la Tabla 1.4 se presenta el perfil de la viga transversal, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 1.20 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 1.4 Detalle de perfiles de viga transversal del tramo simple. Geometría Ubicación tramo simple

Viga transversal

Figura 1.20: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. En las Figura 1.21, Figura 1.22 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en vigas transversales del tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 13 de 28

Figura 1.21: Tensiones en la cara A de las vigas transversales debido a momento 33, del tramo simple.

Figura 1.22: Tensiones en la cara B de las vigas transversales debido a momento 33, del tramo simple. En la Figura 1.23 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla (trenada del día de colapso del puente) para el tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Figura 1.23: FU en cara B de vigas transversales del tramo simple.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 14 de 28

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 15 de 28

D.2. TENSIONES EN PERFILES PRINCIPALES DEL TRAMO DOBLE 2.1 Cuerdas En la Tabla 2.1 se presentan los distintos perfiles que componen las cuerdas superior e inferior, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 2.1 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 2.1 Detalle de perfiles que componen las cuerdas del tramo doble. Geometría Nomenclatura Ubicación tramo doble

Cuerda – 1

Cuerda – 2

Cuerda – 3

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 16 de 28

Figura 2.1: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. En las Figura 2.2, Figura 2.3, Figura 2.4 y Figura 2.5 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en las cuerdas del tramo doble.

Figura 2.2: Tensiones en cara A de la cuerda inferior del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Figura 2.3: Tensiones en cara B de la cuerda inferior del tramo doble.

Figura 2.4: Tensiones en cara A de la cuerda superior del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 17 de 28

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 18 de 28

Figura 2.5: Tensiones en cara B de la cuerda superior del tramo doble. En las Figura 2.6, Figura 2.7, Figura 2.8 y Figura 2.9 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla (trenada del día de colapso del puente) para el tramo doble.

Figura 2.6: FU en cara A de la cuerda inferior del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Figura 2.7: FU en cara B de la cuerda inferior del tramo doble.

Figura 2.8: FU en cara A de la cuerda superior del tramo doble.

Figura 2.9: FU en cara B de la cuerda superior del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

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INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 20 de 28

2.2 Diagonales En la Tabla 2.2 se presentan los distintos perfiles que componen las diagonales, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 2.10 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 2.2 Detalle de perfiles que componen las diagonales del tramo doble. Geometría Nomenclatura Ubicación tramo doble

Diagonal 1

Diagonal 2

Diagonal 3

Diagonal 4

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INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 21 de 28

Figura 2.10: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. En las Figura 2.11 y Figura 2.12 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en las diagonales del tramo doble.

Figura 2.11: Tensiones en cara A de diagonales del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 22 de 28

Figura 2.12: Tensiones en cara B de diagonales del tramo doble. En las Figura 2.14 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla (trenada del día de colapso del puente) para el tramo doble.

Figura 2.13: FU en cara A de diagonales del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Figura 2.14: FU en cara B de diagonales del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

Página 23 de 28

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 24 de 28

2.3 Vigas longuerinas En la Tabla 2.3 se presenta el perfil de la viga longuerina, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 2.15 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 2.3 Detalle de perfiles de viga longuerina del tramo doble. Geometría Nomenclatura Ubicación tramo doble

Viga Longuerina

Figura 2.15: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. En las Figura 2.16 y Figura 2.17 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en viga longuerina del tramo doble.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

INFORME N° 1.150.268

ANEXO D

Página 25 de 28

Figura 2.16: Tensiones en cara A de la viga longuerina del tramo doble.

Figura 2.17: Tensiones en cara B de la viga longuerina del tramo doble. En las Figura 2.18 y Figura 2.19 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla (trenada del día de colapso del puente) para el tramo doble.

Figura 2.18: FU en cara A de viga longuerina del tramo doble. ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

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ANEXO D

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Figura 2.19: FU en cara B de viga longuerina del tramo doble. 2.4 Vigas transversales En la Tabla 2.4 se presenta el perfil de la viga transversal, la nomenclatura respecto a sus ejes y sentido de los momentos flectores y la ubicación en el tramo analizado. En la Figura 2.20 se presenta la nomenclatura respecto a las caras del perfil que se consideraron como referencia para realizar el análisis.

Perfil

Tabla 2.4 Detalle de perfiles de viga transversal del tramo doble. Geometría Nomenclatura Ubicación tramo doble

Viga transversal

Figura 2.20: Nomenclatura de fibras (cara A y cara B) utilizadas en el análisis. ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

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ANEXO D

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En las Figura 2.21, Figura 2.22 se presentan las tensiones debido a un tren de carga tipo B en vigas transversales del tramo doble.

Figura 2.21: Tensiones en la cara A de las vigas transversales debido a momento 33, del tramo doble.

Figura 2.22: Tensiones en la cara B de las vigas transversales debido a momento 33, del tramo doble. En la Figura 2.23 se presentan los factores de utilización tanto para un tren de carga tipo B como para el tren de falla (trenada del día de colapso del puente) para el tramo doble.

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ANEXO D

Figura 2.23: FU en cara B de vigas transversales del tramo doble.

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ANEXO E

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ANEXO E: SUPERPOSICIÓN TOPOBATIMETRÍA – LEVANTAMIENTO LÁSER – ALTURA DE LAS CEPAS

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ESCALA 1:1000

ELEVACIÓN N-S

ELEVACIÓN N-S

ELEVACIÓN N-S

TRAMO 7

CEPA Nº3

2156

CEPA Nº2

TRAMO 8

TRAMO 3

1502

CEPA Nº1

1511

CEPA Nº7 ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº8

ELEVACIÓN N-S

ESTRIBO SUR

ELEVACIÓN S-N

TRAMO 9

ELEVACIÓN ORIENTE

ELEVACIÓN N-S

1981

ESTRIBO NORTE

TRAMO 2

2011

TRAMO 1

802,4

1178,6

914 1097

N

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº6

1799

ESCALA 1:1000

706,9

1449,1

747,3 763,7

717,6 784,4 937,9 861,1

TRAMO 6

VAGÓN

TRAMO 4

1384,6

CEPA Nº4

300,4

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº5

1779

ELEVACIÓN PONIENTE

TRAMO 5

TRAMO 5

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº5

CEPA Nº4

VAGÓN

TRAMO 4

TRAMO 6

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº6

1830

TRAMO 3

TRAMO 7

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº7

2077

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº2

1529

TRAMO 2

TRAMO 8

Levantamiento Topobatimétrico realizado por EDIC entre los días 06 y 16 de Septiembre de 2016, registrada a 11 metros aguas abajo del eje longitudinal del puente. Cepas Nº 1 a 7: Diámetro 2.6 m aprox. y Cepa Nº 8: Diámetro de 3.1 metros aprox. Levantamiento Láser realizado por IDIEM en los días 19 y 20 de agosto del año 2016.

NOTA:

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº3

1479

1010,8 778,2 1645

1685 1010,8 768,2

1789 1384,6 260,4

937,9 892,1 717,6 761,4

914 1163 747,3 781,7

802,4

2020

ELEVACIÓN N-S

CEPA Nº8

1217,6

ELEVACIÓN S-N

N

ELEVACIÓN N-S

ESTRIBO SUR

ESTRIBO NORTE

R

TRAMO 1

TRAMO 9

ELEVACIÓN N-S

2050

CEPA Nº1

1343,1

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ANEXO F

ANEXO F: RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATIORIO

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1.

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ANEXO F

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

Con el objetivo caracterizar el material de fabricación de los elementos que componen el puente y de caracterizar la fractura de los elementos fallados se realizaron los siguientes ensayos de laboratorio: 1.1 Ubicación de muestras en el puente Las muestras fueron extraídas de los tramos Nº 3 y Nº 4 del puente. Ver Figura 1.1. T-3

T-4

Figura 1.1: Vista poniente puente. La ubicación de las muestras en los tramos indicados, se presenta en las Figura 1.2 y Figura 1.3.

T4M1PS T4M1PD

T3M11PS T4M1PI

Figura 1.2: Vista poniente tramo Nº 3 - 4 del puente, donde se indica la ubicación de las muestras extraídas.

ESTUDIO DE FALLA DE PUENTE TOLTÉN - EMPRESA DE LOS FERROCARRILES DEL ESTADO.

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ANEXO F

T3M2-3DT

T3M1-2OMON T3M3OI T3M7OD

T3M3OD

T3M7OI

Figura 1.3: Vista poniente tramo Nº 3 del puente, donde se indica la ubicación de las muestras extraídas. Las muestras extraídas se indican según la siguiente nomenclatura: Donde:

Ti Mj O S P I D DT MON

Ti: Tramo Nº i Mj: Módulo Nº j O: Orientación Oriente P: Orientación Poniente

S: Cuerda superior I: Cuerda inferior D: Diagonal longitudinal DT: Diagonal transversal MON: Montante

Tramo Módulo

Elemento Orientación

En la Tabla 1.1 se presenta el detalle de la nomenclatura utilizada para las muestras. También fueron extraídas muestras de los tirantes ubicados en el tramo Nº 3, de los cuales no se tiene la trazabilidad exacta de su ubicación. Tabla 1.1: Nomenclatura de las muestras extraídas. Muestra T3M1-2OMON T3M3OI T3M3OD T3M2-3DT T3M7OD T3M7OI T4M1PD T4M1PI T3M11PS T4M1PS

Tramo Nº 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4

Módulo Nº 1a2 3 3 2a3 7 7 1 1 11 1

Orientación Oriente Oriente Oriente Transversal Oriente Oriente Poniente Poniente Poniente Poniente

Elemento Montante Cuerda inferior Diagonal Diagonal Diagonal Cuerda inferior Diagonal Cuerda inferior Cuerda superior Cuerda superior

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Estado1 Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Fracturada Fracturada Fracturada Fracturada Fracturada Fracturada

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ANEXO F

Muestra Tramo Nº Módulo Nº Orientación Tirante 1 3 --Tirante 2 3 --Tirante 3 3 --Tirante 4 (T2 470) 3 --Tirante 5 (T1 290 (T3)) 3 --Tirante 6 3 --(1) Muestras utilizadas para caracterizar material o fractura.

Elemento Tirante Tirante Tirante Tirante Tirante Tirante

Estado1 Ensayo Ensayo Fracturada Ensayo Ensayo Fracturada

En la Figura 1.4, Figura 1.5 y Figura 1.6 se presentan las muestras extraídas de la estructura del puente .

Figura 1.4: Muestras recibidas para los ensayos de laboratorio.

Tirante 4 Tirante 5 Tirante 3 Tirante 2 Tirante 1 Tirante 6

Figura 1.5: Muestras recibidas para los ensayos de laboratorio.

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ANEXO F

Figura 1.6: Muestras recibidas para los ensayos de laboratorio. En la Tabla 1.2 se presentan los ensayos realizados Tabla 1.2: Detalle de los ensayos realizados. Ensayos Probeta T3M3OD (T1) T3M2-3DT (T2) T3M1-2OMON (T3) T3M3OI (T4) Tirante 1 (T5) Tirante 4 (T6)

Análisis químico

Ensayo de tracción

Análisis metalográfico

X X X X X X

X X X X X X

X X X X X X

Ensayo de tenacidad al impacto de Charpy X X X X X X

1.2 Análisis químico En la Tabla 1.3 se presentan los resultados obtenidos del análisis químico realizado a las muestras. Tabla 1.3: Resultados del análisis químico realizado a las muestras en porcentaje en peso. Elemento C Si Mn P S

T3M3OD T3M2-3DT T3M1-2OMON T3M3OI Tirante 1 Tirante 4 (% en peso) (% en peso) (% en peso) (% en peso) (% en peso) (% en peso) 0.03 -0.28 0.06 0.09

0.03 -0.35 0.03 0.03

0.07 0.01 0.52 0.08 0.02

0.04 0.01 0.51 0.04 0.02

0.18 0.17 0.33 0.01 0.01

0.04 -0.36 0.05 0.05

Hierro pudelado (Puddled Iron, Wrought Iron) (% en peso)