¿Puedo llegar a proyectar y
construir puentes?
Un poco de
historia…
Los romanos a través de sus impresionantes viaductos
ya concebían importantes estructuras
de puentes, utilizando
para ello la estática clásica y aprovechando los beneficios de ciertas
geometrías y configuraciones estructurales particulares útiles para abarcar
grandes luces.
Las guerras,
Hollywood y los puentes
En épocas de guerra, destruir un puente de líneas
enemigas implicaba una ventaja importante dentro de la estrategia de ataque, en
vista de que se interrumpían las vías de comunicación que debilitaban las
maniobras del enemigo.
En películas como por ejemplo “Rescatando al
Soldado Ryan“, estrenada en 1998 y dirigida por Steven Spielberg,
veíamos como era de vital importancia proteger los puentes ante los ataques
enemigos durante la invasión a Normandia en la Segunda Guerra Mundial. Existe
un desarrollo importante de la película en torno a proteger un puente de gran
importancia estratégica sobre el río Merderet en la localidad de Ramelle, de la
mano del Sargento John Miller (Tom Hanks) y un grupo de soldados en los cuales
se encuentra el propio soldado James Francis Ryan (Matt Damon), y que es además
donde se desenvuelven los últimos minutos de la película.
Veo un
puente y pienso que es una obra “Imposible”
Cuando visualizamos una estructura de puente con
geometría compleja que comunica a dos grandes ciudades, que cubre grandes ríos
o que se utiliza como medio de paso de mares o grandes acantilados,
inmediatamente pensamos que son proyectos y obras “imposibles”, es decir,
proyectos y obras que son destinadas para cierta élite de profesionales a la
cual no pertenecemos. Y es que para estos casos pudiese haber algo de cierto en
dicha aseveración, debido a que diseñar un puente de tales características
pudiese requerir de una gran experiencia y además muy especializada.
Sin embargo, en nuestra vida cotidiana vemos puentes
viales y peatonales de importancia nada despreciable que se utilizan para
cubrir luces importantes en autopistas, carreteras, cauces de ríos, laderas,
taludes, entre otros, y siempre las incógnitas son las mismas:
- ¿Cómo se consideran las cargas
en un puente?
- Ante la gran variedad de
vehículos automotores que existen en el mercado, ¿cómo se pueden estimar
las cargas vehiculares más probables sobre un puente?
- ¿Cuándo se decide que un puente
se construya de concreto armado o de acero estructural?
- ¿Cómo se consideran las
acciones excepcionales, tales como el sismo, viento u otras?
- ¿Cómo se estiman las cargas de
colisión de vehículos, frenado, impactos, etc.? o incluso en un puente que
se concibe para cubrir cursos de agua, ¿será que debo imaginarme que en
algún momento se pueda dar la colisión de un barco contra el puente?
- ¿Este tipo de cargas tan
particulares tienen alguna influencia en el diseño de las cimentaciones?
Vamos entonces a responder cada una de estas
incógnitas con la
finalidad de que podamos visualizar el proyecto y construcción de puentes como
una actividad que podemos desarrollar perfectamente haciendo uso de la
normativa vigente y de las herramientas tecnológicas disponibles actualmente en
el mercado.
¿Cómo se consideran las cargas en un
puente? ¿Qué ocurre con las acciones excepcionales sobre un puente tales como
el sismo o el viento?
Existen diferentes normativas en el continente
americano y europeo que regulan los procesos de diseño y construcción de
puentes, sin embargo, nos vamos a concentrar en la norma AASHTO LRFD Bridge,
que ha logrado abarcar la mayoría de los aspectos que deben ser considerados en
el diseño y construcción de puentes. Las siglas LRFD, traducen factores de
carga y resistencia (Load and Resistance Factors Design), método que
actualmente rige el diseño de la mayoría de las estructuras en concreto armado
y acero estructural.
Las acciones permanentes típicas consideradas en el
diseño son debidas al peso de los miembros estructurales y no estructurales,
entre los que destacan: las pilas, vigas, tableros, pavimentos,
defensas, barandas, aceras y diferentes aditamentos
que pudiesen ir acoplados a la estructura del puente.
Según la localidad en la que esté concebido el
proyecto, se deberán incluir en el análisis los efectos de las acciones de
viento, nieve y sismo. Los puentes ligeros pudiesen manifestar
importantes desplazamientos y amplitudes debido a efectos de ráfagas de viento,
y es por ello que en el diseño se contempla el uso de miembros de rigidización
que permiten incrementar la rigidez del puente.
Existen regiones de elevada sismicidad donde se han
elaborado documentos y normativa de diseño particular para considerar la
amenaza sísmica en el diseño especifico de puentes; a menos que se utilicen
otras regulaciones internacionales tales como: la ASCE7-10, el EUROCODIGO o
cualquier otra. En caso de utilizarse alguna de estas regulaciones, se debe
validar si el espectro de diseño tipificado cumple desde el punto de vista
probabilístico, con la condición de amenaza sísmica utilizada en el sitio donde
se pretende construir el puente, es decir, evaluar si el periodo de retorno
asociado a la amenaza sísmica y la probabilidad de excedencia del evento,
cumple con la filosofía del espectro utilizado.
La mayoría de los códigos de diseño permiten construir
el espectro de diseño sísmico en función del nivel de amenaza existente, tipo
de suelo, importancia de la estructura, nivel de ductilidad esperado y
requisitos particulares de diseño estructural. Tanto en puentes de concreto
armado como de acero estructural, la acción sísmica determina efectos
importantes en el diseño de los miembros estructurales, tales como: pilares,
estribos, vigas e incluso sobre elementos de contención lateral de tierras,
donde adicional a los empujes del material de relleno y las cargas vehiculares,
se deben considerar los incrementos de empujes laterales debidos a la acción
sísmica, que en muchas localidades son las que determinan el diseño estructural
del puente.
Espectro de
diseño típico.
Existe una condición particular de diseño en puentes
peatonales muy importante de tener en cuenta y a su vez muy interesante según
los comportamientos observados en experiencias previas, que tiene que ver con la
rigidez del puente y con la frecuencia de vibración que produce la forma
de caminar típica de las personas, lo cual pudiese originar fenómenos de
resonancia de cierta importancia si no se analizan las frecuencias de vibración
más probables del puente en función del paso de las personas.
En este aspecto es importante destacar el
comportamiento que manifestó el “Millennium Bridge” que atraviesa
el río Támesis en la ciudad de Londres el día de su inauguración. El novedoso
puente peatonal de 325 metros de longitud conecta la zona de “Bankside” cercana
al “Tate Moderm Museum” en el Sur, con la “City” cerca de la “Catedral de San
Pablo” y la “School of London City” al Norte.
Debido a este incidente, el puente tuvo que ser
clausurado durante 2 años para ser reforzado y fue reabierto en el año
2002. Se incorporaron elementos de rigidización que modificaron la rigidez de
la estructura y permitieron variar la frecuencia natural de vibración del
puente para alejarla de la frecuencia asociada a la forma de caminar típica de
las personas.
Este fenómeno acá descrito también puede producirse
sobre tableros de puentes viales de ciertas longitudes, cuya frecuencia natural
de vibración pudiese estar muy cerca de la frecuencia de paso de ciertos
modelos de vehículos, ocasionando una condición de agrietamiento acelerado en
tableros de concreto o mixtos acero-concreto.
Observe que en la evaluación de estos fenómenos de
resonancia poco importa la magnitud de las cargas actuantes, siendo lo más
importante el análisis de la frecuencia de paso de las cargas, que al igualarse
o acercarse a la frecuencia natural de vibración del sistema, se pueden inducir
fenómenos de resonancia, sin importar que se trate de un vehículo más pesado o
más liviano.
Ante la gran variedad de vehículos
automotores que existen en el mercado, ¿cómo se pueden estimar las cargas
vehiculares más probables sobre un puente?
La AASHTO propone el uso de modelos de
vehículos estandarizados con ejes de ubicación variable, que permiten analizar
la estructura mediante movimientos de carga para obtener las envolventes
máximas para cada tipo de solicitación. La carga variable vehicular en puentes
consistirá entonces de una combinación de:
- Camión de diseño o tándem de
diseño.
- Carril o trocha de diseño.
El carril o trocha de diseño estará compuesto por una
carga de @ 1000 Kgf/m distribuido uniformemente en la dirección
longitudinal de la calzada. Transversalmente, se asumirá la carga uniformemente
distribuida sobre un ancho de 3 metros.
El efecto de la fuerza extrema se tomará como el
máximo valor de los siguientes:
- Tándem de diseño + Carga del
carril de diseño.
- Camión de diseño con eje
variable + Carga del carril de diseño.
Las cargas vehiculares son modificadas al considerar
los efectos adicionales típicos de cargas móviles, entre las que destacan:
- Cargas de impacto vertical y
horizontal, derivadas de la operación de vehículos, rugosidad de
superficies de rodamiento y variación en la velocidad de los vehículos,
entre otros.
- Cargas horizontales de frenado
que se consideran críticas en puntos de unión entre tableros, cambios de
pendiente del puente y juntas de tableros.
- Cargas horizontales debidas a
colisión entre vehículos.
- Cargas debidas a fuerzas
centrifugas que se generan en las curvaturas de puentes esviados, cuya
magnitud depende del radio de curvatura existente en planta.
Actualmente se dispone en el mercado de software de
última generación que permiten incorporar estos trenes de carga normalizados,
analizar todos los movimientos de carga posibles, considerar las diferentes
cargas de impacto y frenado y obtener las máximas solicitaciones envolventes en
tableros y apoyos, con la finalidad de efectuar el diseño estructural de los
componentes estructurales. Este proceso que anteriormente consumía un tiempo de
análisis importante, ya actualmente se efectúa de forma muy rápida mediante el
uso de estas herramientas de cálculo que además permiten obtener los resultados
con un excelente nivel de precisión. Destaca el software CSI Bridge y Midas por
simplemente mencionar algunos.
En un puente que se concibe para
cubrir cursos de agua, ¿será que debo imaginarme que en algún momento se pueda
dar la colisión de un barco contra el puente?
Es importante destacar que el diseño de puentes que
cubren cursos de agua, debe estar respaldado por un estudio hidrológico e
hidráulico que indique cuales son los niveles máximos y mínimos de agua que
pudiesen existir en diferentes épocas del año, y que determinan la ubicación de
los componentes estructurales del puente y de los diferentes mecanismos de
protección.
Cuando se diseñan puentes que atraviesan cursos de
agua por donde se tiene previsto el paso de embarcaciones, la normativa AASHTO
indica que se debe seleccionar un buque de diseño que será seleccionado según
las características del puente, del buque, del curso de agua y de la
clasificación operacional del puente. En este proceso de diseño se estima una
“frecuencia anual de colapso debido a buques” y se debe garantizar que dicha
frecuencia de colapso cumpla con el criterio de aceptación para dicho
componente (pila o estribo). La norma AASHTO permite estimar la
velocidad de colisión de diseño y la fuerza de impacto del barco sobre el pilar
o columna, en función de estos parámetros es posible diseñar las protecciones y
evaluar las consideraciones de seguridad antes estas acciones.
¿Cómo se decide que un puente se
construya en concreto armado o en acero estructural?
Esta es una pregunta que muchas veces nos hacemos al
recorrer ciertas ciudades donde conseguimos diferentes geometrías y tipologías
de puentes concebidas con diferentes materiales constructivos, e incluso se
pueden observar soluciones muy diferentes para luces similares.
En algunas localidades, el aspecto económico pudiese
fijar el uso de un determinado material constructivo, es decir, en algunos
países el costo de fabricación del concreto es menor que el del acero
estructural, sin embargo, en la mayoría de los casos el uso de estructuras de
acero pudiese implicar una mayor velocidad de construcción, versatilidad y
rapidez en el montaje, que a su vez pudiese traducirse en menores costos y
cumpliendo además con el requisito de poner en uso el puente de forma mucho más
rápida. Esto pudiese ser un criterio de selección que en muchos casos influye
fuertemente en la escogencia del material constructivo.
En la mayoría de los países se utiliza el concreto
armado y el concreto precomprimido como materiales constructivos típicos de
puentes con luces de vanos que oscilan entre 20 m y 50 m, que son típicas de
puentes urbanos con uso vial o peatonal. Ahora bien, por tratarse de
estructuras de grandes luces, el peso del puente determina el uso de miembros
de dimensiones importantes, y por lo tanto a partir de luces mayores a 50
metros el uso del acero como material constructivo permite obtener menores
dimensiones de los miembros y controlar la dimensiones y profundidad de las
cimentaciones. Esto no quiere decir que no se puedan hacer puentes de concreto
de grandes luces, simplemente que para estos casos se deben utilizar concretos
precomprimidos de muy alta resistencia f\\\\\\\’c, así como, utilizar
geometrías y secciones que controlen el dimensionado de las secciones. Los
puentes con secciones longitudinales tipo arco, columnas huecas o con tensores
para sostener los tableros, son los predilectos en estos casos.
Las cimentaciones de un puente.
¿Existe alguna diferencia respecto a las edificaciones?
Las cimentaciones de un puente pueden ser concebidas
como superficiales o profundas. La condición geotécnica y la magnitud de las
cargas actuantes, determinan la dimensión en planta de las cimentaciones
directas (zapatas o losas) o la profundidad y diámetro de las cimentaciones
indirectas (pilotes o pilas).
Ahora bien, el ingeniero geotécnico debe tener
presente que el sistema suelo-cimentación debe cumplir no solo con criterios de
resistencia o capacidad portante, sino que además se debe garantizar el
adecuado comportamiento de los apoyos ante cargas de servicio desde el punto de
vista de rigidez, lo cual se realiza mediante el cálculo de los asentamientos
esperados. Esto debido a que la presencia de asentamientos diferenciales de
magnitudes elevadas puede producir distorsiones importantes sobre la estructura
y por ende generar un errático comportamiento sobre los tableros del puente y
sobre los apoyos del mismo.
Para efectuar el dimensionado y diseño del sistema
suelo cimentación de un puente, el estudio geotécnico debe considerar que los
apoyos estarán sometidos a importantes cargas laterales y momentos de
volcamiento debidos a la operación de los vehículos y a la acción sísmica. El
diseño estructural de la cimentación interactuando lateralmente con el terreno,
estará influenciado por el nivel de deformación lateral esperado. De allí que
el diseño geotécnico y estructural de la cimentación, tanto superficial como
con pilotes, debe contemplar el efecto de las elevadas cargas laterales y tener
en cuenta la presencia de importantes momentos flectores que no pueden ser
evaluados de la misma forma como se realiza en los procesos de diseño de
cimentaciones convencionales para edificaciones.
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