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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.
Entre estas configuraciones destacan los arcos que nos permiten cubrir grandes vanos e impedir la aparición de grandes esfuerzos de flexión sobre el puente. Se produce mediante el uso de materiales constructivos muy versátiles para absorber esfuerzos de compresión, sin requerirse grandes dimensiones o complejos armados de acero de refuerzo. Estructuras concebidas de esta forma todavía se encuentran en perfecto estado en diferentes ciudades de Europa. Son aprovechadas no sólo con fines turísticos sino además como estructuras de paso vial y peatonal en la rutina diaria de muchas localidades.
Puente Coperto. Ciudad de Pavía, Italia. Reconstruido en la mitad del 300 en sustitución del antiguo puente romano (ver pilas originales). Reparado a principio de los años cincuenta al ser bombardeado en la Segunda Guerra Mundial.
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. Esto era debido a 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"
Sin embargo, en nuestra vida cotidiana vemos puentes viales y peatonales de importancia nada despreciable. Se utilizan para cubrir luces importantes en autopistas, carreteras, cauces de ríos, laderas, taludes, entre otros, y siempre las incógnitas son las mismas:
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.
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. Esta 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.
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.
Fue inaugurado en el año 2000 y al comenzar las personas a caminar sobre el puente, inmediatamente comenzó a oscilar alcanzando grandes amplitudes debido a que la frecuencia del caminar de las personas estuvo muy cerca de la frecuencia de vibración natural del puente, generándose un severo fenómeno de resonancia que pudo haber ocasionado el colapso del puente el mismo día de su inauguración.
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.
Análisis de frecuencia de vibración en tablero mixto acero-concreto para puente vial.
La norma AASHTO LRFD Bridge ha logrado solucionar el problema de la variabilidad de acciones vehiculares mediante la tipificación de trenes de carga. Los trenes de carga se generan a partir de combinación de vehículos normalizados y cargas distribuidas por trochas. Estos vehículos normalizados poseen ejes de carga simples y tándem, que se combinan con cargas uniformemente distribuidas con la final de obtener el tren de carga correspondiente, destaca en la práctica de diseño el uso del tren designado como HL-93.
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:
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:
Las cargas vehiculares son modificadas al considerar los efectos adicionales típicos de cargas móviles, entre las que destacan:
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.
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.
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.
Puente en concreto armado y precomprimido.
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. Además, debe 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.
Vista de pilar de puente apoyado sobre pilotes.
Reflexión Final
Ahora bien, al haber visualizado lo que implica efectuar el diseño típico de puentes convencionales, te darás cuenta que no se trata de "proyectos imposibles". Simplemente son proyectos en los cuales se deben contemplar todas las variables involucradas y acoplarlas de forma armónica al diseño. La finalidad es garantizar el adecuado funcionamiento del puente durante su vida útil.
Les extiendo una cordial invitación a todos los lectores de este artículo, a que me acompañen a formar parte del grupo de profesionales que hacemos del diseño de puentes una realidad constructiva para nuestras ciudades.
Ing. Edinson Guánchez (Msc).Edinson Guánchez
