Simulación del colapsó del Edificio Nuevo León en México el cual fue realizado por la Universidad de Kyoto, Japón en el año 2011.
El 19 de septiembre de 1985 a las 7:19 se registró en la Ciudad de México un sismo que tuvo un epicentro superficial a una profundidad de 15 km, desde las costas de Michoacán a 400 km de distancia hasta la Ciudad de México, con una magnitud Mw = 8.0. La teoría de las leyes de atenuación de las ondas sísmicas indican que entre más viajen esas ondas, su amplitud disminuye, pero llegando a la zona compresible del Valle de México las ondas sísmicas se vuelven a amplificar, dando como resultado que en 1985 en esa zona compresible el suelo se movió con un periodo dominante de alrededor de 2 segundos, lo anterior dañó a construcciones que tenían de 8 a 15 niveles de altura con un periodo natural de vibración de 2 segundos que coincidía con el del terreno compresible, dando como resultado severos daños y colapsos de ese tipo de estructuras en esa zona compresible.
Cabe mencionar que el sismo del 19 de septiembre de 1985 además, generó un movimiento extrañamente armónico del terreno durante más de 2 minutos, generando que muchos edificios colapsaran, dejando una cifra oficial de alrededor de 10,000 personas fallecidas.
Observe en el vídeo de simulación que al momento en el cual el período del espectro de respuesta de 2 segundos se convierte en dominante, las fallas de corte en las columnas de concreto reforzado (color rojo), aumentaron significativamente, disminuyó la capacidad axial del edificio contra la carga de gravedad y finalmente se produjo el lamentable colapso.
Según la estación sísmica SCT cuyos datos se muestran a continuación, la aceleración inicial del terreno en suelo blando para el sismo de 1985 fue un poco mayor a 100 gals.
Aceleraciones experimentadas en las azoteas de edificios con diferentes alturas en las estaciones CU (suelo firme) y SCT (suelo blando) para los sismos del 19 de septiembre de 1985 (rojo) y 2017 (azul). 1 gal = 1 cm/s2. Las aceleraciones reportadas corresponden al promedio geométrico de ambas componentes horizontales del movimiento.
La construcción de la super estructura principal de puentes en arco donde no es posible utilizar un falso puente se puede conseguir utilizando la técnica de estabilización por tirantes. Para lo cual se debe de analizar el comportamiento estructural del puente en cada una de las fases constructivas a ser empleadas con la finalidad de obtener la fuerza de pretensado en cada uno de los cables para cada fase constructiva para que frente al peso propio y peso del equipo empleado se obtenga una flecha vertical nula en los puntos de conexión de los segmentos de arco y así mismo un movimiento horizontal nulo en la cabeza de la pila provisional utilizada.
Ejemplos de puentes de arco de concreto armado que han sido, construidos con esta técnica:
El Viaducto de Almonte está construido sobre el río Almonte, situado en el subtramo embalse de Alcántara-Garrovillas, España, de 6.3 kilómetros de longitud, perteneciente a la Línea de Alta Velocidad Madrid-Extremadura. Longitud del vano central, tipo arco, de 384 metros de longitud, con una altura sobre el nivel medio del embalse de Alcántara en el entorno de los 100 metros.
Proceso constructivo Arco Viaducto de Almonte
Viaducto de Almonte
El Viaducto del Tajo está construido sobre el río Tajo, situado en el subtramo embalse de Alcántara, España, de 1488 metros de longitud, perteneciente a la Línea de Alta Velocidad Madrid-Extremadura. Longitud del vano central, tipo arco, de 324 metros de longitud, con una altura sobre el nivel medio del embalse de Alcántara en el entorno de los 90 metros.
Proceso constructivo Arco Viaducto del Tajo
El Viaducto Contreras está construido sobre el río Contreras, situado en el embalse de Contreras, provincias de Valencia y Cuenca, España, de 587.25 metros de longitud, perteneciente a la Línea de Alta Velocidad Comunidad de Madrid – Castilla la Mancha – Comunidad Valenciana – Región de Murcia. Longitud del vano central, tipo arco, de 261 metros de longitud, con una altura sobre el nivel medio del embalse de Contreras de 36.944 metros.
Proceso constructivo Arco Viaducto Contreras
Puente Rex T. Barber Veterans Memorial, está construido sobre el río Crooked, Oregón, EEUU, finalizada en el año 2000, y permite superar la garganta del río Crooked a una altura de 92 m. Longitud del vano central, tipo arco, de 125 metros de longitud, con una altura sobre el nivel medio del río Crooked en el entorno de los 92 metros.
Proceso constructivo Puente Rex T. Barber Veterans Memorial
Puente Rex T. Barber Veterans Memorial
A continuación se muestra el comportamiento estructural de un puente en arco de concreto armado construido empleando tres fases constructivas utilizando la técnica precitada:
Modelo estructural primera etapa de construcción
Diagrama de fuerzas axiales primera etapa de construcción
Diagrama de fuerzas cortantes primera etapa de construcción
Diagrama de momentos flectores primera etapa de construcción
Modelo estructural última etapa de construcción
Diagrama de fuerzas axiales última etapa de construcción
Diagrama de fuerzas cortantes última etapa de construcción
Diagrama de momentos flectores última etapa de construcción
Animación del comportamiento de las deformaciones en la última etapa de construcción
En este ejemplo con las fuerzas de pretensado obtenidas para cada cable utilizando métodos de cálculo matriciales el comportamiento de las deformaciones fue satisfactorio ya que los movimientos en las uniones de los segmentos de arco y en la torre provisional fueron prácticamente nulos, lo cual se puede visualizar en los vídeos presentados.
Se presenta un breve resumen que contiene información de una serie de documentos elaborados por el Instituto de Ingeniería de la UNAM en los meses posteriores a los sismos de 1985, como resultado de los estudios realizados por diversos investigadores para la evaluación de los efectos de esos sismos en las edificaciones de la ciudad de México.
Se hizo seguimiento de los edificios que habían sido reportados como dañados en los informes de los sismos ocurridos en 1957 y 1979 en la ciudad de México. Se determinaron las acciones de reparación a las que habían sido sometidos y se evaluó el comportamiento en los sismos de septiembre de 1985.
De la información recabada se extraen algunas estadísticas y ciertas conclusiones cualitativas acerca de la eficiencia de los procedimientos de refuerzo adoptados. Se concluye que esta eficiencia fue muy pobre porque los edificios se reforzaron para resistir fuerzas inferiores a las que se vieron sujetos en los sismos recientes, porque en general las acciones se limitaron a refuerzos locales y porque con frecuencia la calidad de la ejecución fue pobre.
Tanto para los elementos particulares como para la estructura en su conjunto, se llegó a calificar el daño estructural y no estructural en tres niveles: grave, moderado y leve.
a) El daño estructural de un elemento se califico como:
Grave: para agrietamientos con aberturas superiores a 1.0 mm, o aplastamientos del concreto o pandeo del refuerzo.
Moderado: para grietas atribuibles a cargas externas con espesores entre 0.2 y 1.0 mm.
Leve: para grietas menores.
b) El daño de la estructura en su conjunto se califico como:
Grave: cuando había suficientes casos de daño grave en elementos aislados para poner en peligro la estabilidad de una parte importante de la construcción, edificios con desplome mayor a 0.5%.
Moderado: cuando elementos con daños graves eran aislados o había más de 20% de elementos con daño calificado como moderado, edificios con desplome entre 0.3% y 0.5%.
Leve: para daños leves en los elementos aislados o daños moderados en no más de 20% de los elementos, edificios con desplome entre 0.15% y 0.30%.
Las zonas de mayor gravedad de daños muestran buena coincidencia en los tres casos de eventos e indican amplificación mayor del movimiento del suelo en un área en que los depósitos de arcilla tienen ciertas características de espesor y compactación que les proporcionan un periodo natural de vibración del orden de 2 seg.
Tipologías de edificios dañados y modos de falla:
a) Numero de edificios dañados. 22 edificios en 1979, 69 en 1957 y 331 en 1985.
b) Numero de niveles. En los tres eventos el mayor número de edificios dañados coincide en el intervalo entre 6 y 15 niveles, revelando la mayor vulnerabilidad de construcciones cuyos sistemas estructurales y características de vibración son típicos de esa altura.
c) Sistema estructural. Para los tres eventos la mayoría de los daños ocurre en estructuras de concreto mientras que en las de acero el numero de casos es reducido y referido tanto en 1957 y en 1985 a estructuras muy antiguas con excepción de un par de casos. Las construcciones de mampostería tienen una tasa de daño muy reducida. Las de 1957 se refieren esencialmente a construcciones atípicas, de alturas de muros excepcionalmente elevadas, de materiales muy deteriorados y de baja calidad.
d) Características de los edificios dañados. Entre las características que se presentan con mucha frecuencia en los tres casos destacan: la ubicación en esquina, los problemas previos de cimentación y el choque con edificios adyacentes. No se detecto en los anteriores un numero elevado de fallas en pisos superiores como ocurrió en este último evento.
e) Modos de falla. Destaca que mientras en 1957 el modo de falla prevaleciente fue por cortante en vigas, en 1979 hubo una proporción casi uniforme de media docena de modos de falla y en 1985 dominó la falla por cortante o flexo compresión de columnas y los problemas en losas reticulares, las que no existían prácticamente en 1985. Las diferencias de los modos de falla pueden atribuirse por una parte a las distintas características de los movimientos del terreno, sobre todo la mayor duración del sismo de 1985 puede haber propiciado un deterioro progresivo de la capacidad de las columnas. Por otro la práctica de diseño aumentó la seguridad ante falla por cortante en vigas e introdujo las losas reticulares en las que se hacen más críticos los efectos en las columnas.
Conclusiones:
La conclusión más clara es que la eficiencia de las intervenciones de refuerzo realizadas anteriormente fue baja porque se tendió a procurar una resistencia menor que la necesaria para soportar un sismo como el de 1985; porque se trató en la mayoría de los casos de refuerzos locales sin buscar la rigidización y refuerzo global de la estructura y de su cimentación; porque no se cuidaron los detalles de conexión de los refuerzos con la estructura existente y porque en un número significativo de casos de calidad de la ejecución del refuerzo fue pobre.
Se cuenta ahora con técnicas de eficiencia comprobada en México y en otros países para reforzar las construcciones dañadas de manera que alcancen la seguridad ante sismo prevista en las Normas de Emergencia. Es de esperarse que la observancia de estas normas y el empleo de las técnicas adecuadas de proyecto y ejecución permita evitar se vuelva a presentar una alta incidencia de daños en estructuras reforzadas.
Crédito de las imágenes: Huanghe Advertising Company
El Puente del Río Qianximen Jialing en Chongqing, China, fue seleccionado en la categoría de Puentes de Carretera o Ferroviarios de Los Premios Estructurales 2015. Aquí el Dr. Man-Chung Tang y el Dr. Delan Yin de TY Lin International (China ) Co, Ltd. discutieron su trabajo en el proyecto.
Con una población de 32 millones de habitantes, Chongqing es una ciudad en rápida expansión. Hubo allí otros siete puentes en construcción, y un gran número planeado para los próximos años, probablemente numerando en los centenares. Eso es porque hay varios grandes ríos en la ciudad: Yangtze, Jialing, Wu, etc. y cada uno requiere una serie de cruces. Por ejemplo, de los 140 puentes sobre el río Yangtze ahora, solo 46 están en Chongqing. No es de extrañar que la ciudad se llama la "Capital de Puentes" de China!.
Tal vez sea este nivel de actividad lo que hace que los ingenieros estructurales sean tan respetados en China -como dice el proverbio chino: "aquellos que diseñan y construyen carreteras y puentes están acumulando su virtud".
Los desafíos para el diseño del puente de Qianximen eran muchos: la estética era extremadamente importante. El puente está situado en la desembocadura del río Jialing, junto con el puente Dongshuimen sobre el Yangtze, y juntos forman la puerta de entrada de la ciudad - por lo que era muy importante que los dos se complementaran visualmente. También el nivel de agua del río varía en hasta 39 metros entre el agua baja y la temporada de inundaciones, y tuvimos que asegurar que la torre del puente parecía atractiva en todas las condiciones del río. Lo que es más importante, el puente no podría ser demasiado grande o perturbaría las vistas de la ciudad, de ahí el esbelto diseño de un puente con vigas a cable con un solo plano de cable. De hecho, el diseño es muy chino, modelado en un tejido de lanzadera tradicional.
Puente Dongshuimen
Los desafíos de la ingeniería eran principalmente alrededor de diseñar una estructura que pudiera llevar trenes y tráfico como coches y camiones, en un diseño seguro y rentable.
Había otras consideraciones más prácticas. El tiempo fue un factor importante: tuvimos que construir la base y la parte inferior de las torres y los muelles en una temporada baja de agua, o tendríamos que esperar para la próxima temporada del año siguiente. El acceso era otro factor crucial: Chongqing es una ciudad montañosa, las calles estrechas y sinuosas, y el transporte de materiales de construcción sería difícil - que significaba que teníamos que entregar la mayoría de los materiales por el río; pero incluso eso es difícil, ya que la anchura y la profundidad del río varía demasiado bajo el nivel diferente del agua, haciendo acoplamiento muy problemático.
Toda persona que ha visto este puente se ha enamorado de él. Es hermoso de mirar, pero especialmente agradable a los que caminan a través de él en los caminos peatonales, que proporcionan unas vistas excepcionales de la ciudad. Estamos muy orgullosos de este diseño rentable, significativo y hermoso.
Las autoridades de la Secretaría de Obras Públicas y Transporte de la Nación admiten, que el puente atirantado Justo José de Urquiza sobre el río Paraná Guazú del Complejo Ferrovial Zárate-Brazo Largo, Buenos Aires, Argentina, podría haberse desplomado.
El colapso se evitó porque en las primeras horas del 20 de noviembre de 1996 se rompió y cayó a las aguas el cable tirante 7C, uno de los 60 tensores del puente Justo José de Urquiza, y con su estrépito alertó sobre el deterioro que afecta gravemente a otros tres cables tirantes de la estructura. El cable tirante falló cerca del zócalo inferior en el nivel de la cubierta. Cuando examinaron el cable se demostró que casi todos los 121 alambres que componían el cable tirante fallaron a unos 200 mm fuera del zócalo inferior con signos severos de corrosión y rupturas similares a la fatiga en los alambres.
En agosto de 1994 personal de Vialidad Nacional efectuó una inspección en el Complejo Zárate-Brazo Largo, a raíz de la cual comprobó, entre otras cosas, la existencia de corrosión y roturas de alambres en los cuellos de los anclajes debido a la falta de mantenimiento, observaciones que al no ser tenidas en cuenta produjeron la rotura de los cables tirantes que recién a la fecha de producido el colapso precitado se comenzaron a reparar. Así mismo se detecto que también dos cables tirantes presentaban deterioros peligrosos para la estructura. Pero el mayor peligro no era el estado de cada uno de estos tirantes, sino que los dos estaban situados contiguamente uno del otro, así que por ese punto de debilidad podría haberse desmoronado el tablero completo, convirtiendo a ese lugar frágil en el embudo por el cual fluyera todo el peso del puente hacia el lecho del Paraná.
El deterioro de los cables tirantes puede deberse a:
Carbonatación y Corrosión.
Fatiga del material por oscilaciones provocadas por el viento y el tablero (calzada).
Error en el diseño estructural.
Sobrecarga vehicular con configuración no adecuada (pesos y distancias por eje).
Respecto a la carbonatación, corrosión y fatiga por viento de los cables, actualmente se cuenta con cables mejorados, tenemos cables de inmersión en caliente galvanizado, cables monostrands que están envueltos con un revestimiento de polietileno de alta densidad, los cables monostrands empaquetados se suplementan con un revestimiento externo para reducir los efectos del viento y de la lluvia en las conexiones del anclaje del cable, etc.
Respecto al deterioro de los cables tirantes debido a la sobrecarga vehicular con configuración no adecuada, es necesario precisar que no se necesita exceder el peso vehicular máximo de la carga de diseño para que se produzcan esfuerzos y/o desplazamientos y/o deformaciones no admisibles en los elementos o sistemas estructurales; para prevenir sobretensiones lo más importante es repartir la carga de tránsito de tal manera que los pesos máximos por eje y/o espaciamiento produzcan esfuerzos, desplazamientos y deformaciones que no excedan a los producidos por la carga de diseño en condiciones actuales de servicio; entendiéndose por carga de diseño a la carga límite de capacidad, carga legal, o carga estándar reglamentaria, la que produzca los menores esfuerzos.
Corrosión en cable tirante 7C
Información técnica
El puente consta de un tablero metálico de 2.60 m de peralte sostenido por cables tirantes, que parten de dos pilares principales, dichos pilares tienen su fundación en el lecho del río, y alcanzan una altura máxima de 110 m por encima del nivel del mismo. Las estructuras de las pilas son huecas, y tienen en su interior un ascensor que permite llegar a la parte superior de las mismas, donde se encuentran los cubos de acero que sostienen todos los cables. La longitud del tramo principal en ambos puentes son 330 m y 110 m en los laterales.
Vista panorámica tridimensional del puente atirantado del viaducto La Arena
Vista panorámica en elevación del puente atirantado del viaducto La Arena
En la Autovía del Cantábrico en San Juan de Muskiz, a unos 15 km de Bilbao, España, se ubica un puente atirantado que forma parte del viaducto La Arena, se trata de un puente atirantado multivano con luces principales de 105 m, compuesto de 6 mástiles de acero con 12 cables cada uno dispuestos en configuración tipo arpa en el eje central del tablero continuo de sección mixta de acero y concreto, cuya doble curvatura en planta aumenta las dificultades de su diseño y construcción, pero también le otorga una magnifica vista panorámica al puente, que gracias a su flexibilidad y ligereza, se integra perfectamente con su entorno.
El puente precitado después de tan solo 24 años de su puesta en servicio, necesito ser rehabilitado ya que en sus cables tirantes presentaba signos de carbonatación, corrosión y sobretensión; es así que en marzo del año 2016 se dio inicio a los trabajos de rehabilitación a fin de recuperar la estructura y restablecer los niveles de servicio que garanticen la seguridad de sus transeúntes.
La sobretensión en los cables tirantes se debe generalmente a dos razones:
1. Error de diseño
Si bien es cierto que la disposición tipo arpa de los cables otorgan una configuración estética muy agradable existe la desventaja de que la fuerza de compresión en el tablero es mayor que para las configuraciones tipo abanico o radial sumado a esto su geometría en planta de doble curvatura ocasiona mayores dificultades tanto en las etapas de diseño y construcción; estos puede dar pie a los posibles problemas de sobretensión.
2. Sobrecarga vehicular con configuración no adecuada
Ls sobretensión en los cables y otros elementos estructurales también puede generarse por tránsito vehicular con configuración no adecuada, es necesario precisar que no se necesita exceder el peso vehicular máximo de la carga de diseño para que se produzcan esfuerzos y/o desplazamientos y/o deformaciones no admisibles en los elementos o sistemas estructurales; para prevenir sobretensiones lo más importante es repartir la carga de tránsito de tal manera que los pesos máximos por eje y/o espaciamiento produzcan esfuerzos, desplazamientos y deformaciones que no excedan a los producidos por la carga de diseño en condiciones actuales de servicio; entendiéndose por carga de diseño a la carga límite de capacidad, carga legal, o carga estándar reglamentaria, la que produzca los menores esfuerzos.
Respecto a la carbonatación y corrosión de los cables, actualmente se cuenta con cables mejorados, tenemos cables de inmersión en caliente galvanizado, cables monostrands que están envueltos con un revestimiento de polietileno de alta densidad, los cables monostrands empaquetados se suplementan con un revestimiento externo para reducir los efectos del viento y de la lluvia en las conexiones del anclaje del cable, etc.
Vista en elevación y en planta del puente atirantado del viaducto La Arena
Acercamiento en elevación y en planta del puente atirantado del viaducto La Arena
Sección transversal del puente atirantado del viaducto La Arena
Detalles del anclaje de los cables en el mástil del puente atirantado del viaducto La Arena
El puente del Atlántico en la provincia de Colón en Panamá es un puente atirantado que cruza el canal de Panamá. Próximo a su inauguración en el 2018 se convertirá en el tercer puente que cruce el canal de Panamá, siendo el puente de las Américas el primer puente en cruzarlo y el puente atirantado Centenario el segundo.
El puente tiene un diseño atirantado con un largo total de 1050 m. Su luz principal mide 530 m y tiene un gálibo de 75 metros sobre el canal de Panamá, permitiendo que los grandes buques tipo “Post-Panamax” pasen por debajo de él. El puente está apoyado en dos torres de 212.5 m de alto. Tiene una anchura de 4 carriles de tráfico. El contrato también incluye la construcción de los viaductos de acceso a ambos lados del puente, con una longitud total de 2 kilómetros, así como de las carreteras de conexión a la red viaria existente.
Animación del puente del Atlántico:
Análisis de alternativas para ubicación, tipo de cruce y diseño
El estudio contempló un análisis de alternativas potenciales para seleccionar desde la mejor ubicación del cruce (alineamientos), hasta el tipo de cruce (puente o túnel) y diseño del mismo. A continuación se resumen los análisis de alternativas contemplados:
Alternativas de Ubicación del Proyecto y Tipo de Cruce
Para generar los alineamientos potenciales para el cruce sobre el Atlántico se utilizó un Sistema de Información Geográfico (SIG) y un proceso metodológico conocido como “Adecuación de Cartografía de Tierras” (Land Suitability Mapping - LSM por sus siglas en ingles) el cual consiste en generar múltiples capas de información que permite evaluar las limitaciones ambientales, sociales y físicas existentes dentro del área del proyecto, previo a la ubicación de las alternativas. Este procedimiento permite la determinación del nivel de sensibilidad relacionada con varios recursos e impactos operacionales simultáneamente.
Alternativas de Diseño del Puente
Una vez seleccionado el tipo y ubicación del cruce, el estudio implementa análisis adicionales para seleccionar entre las alternativas de diseño de un Puente, la más viable según los criterios mínimos requeridos por la ACP, incluyendo tipo de estructura, torres, número de carriles, entre otros. A continuación se describe los análisis considerados para las alternativas de diseño.
Número de Carriles
Para determinar el numero de carriles necesarios en el Puente, URS+COWI realizó un análisis de tráfico para estimar la demanda que generaría el futuro Cruce con información proveniente de la oficina de Proyectos Especiales del MOP y de la Autoridad de Transito y Transporte Terrestre la cual incluyó aforos de trafico en ambos sentidos por 72 horas en distintos puntos de la Provincia de Panamá y Colón, realizados en los años 2006 al 2008, junto con las proyecciones de la data demográfica para los años 2007 y 2015 del Boletín No. 9 del Censo del 2000.
A partir de dicha información se asumieron 3 escenarios de posibles desarrollos, a saber:
1. Escenario de bajo desarrollo: se asume la misma tasa de crecimiento proyectada por el censo, la construcción del cruce sobre el canal, sin la construcción de una Vía Costanera.
2. Escenario de desarrollo medio: se asume la misma tasa de crecimiento del censo, la construcción del cruce, con la continuación de una vía Costanera.
3. Escenario de alto desarrollo: asume una taza de crecimiento mas elevada a las proyecciones del censo, la construcción del cruce y continuidad con una vía Costanera.
Posteriormente, se estimó la demanda vehicular que tendría el Puente considerando cada uno de posibles escenarios de desarrollo (bajo, medio, alto), para las proyecciones del Censo del 2015, como para el año 2035. Para este último, la demanda de tráfico se obtuvo aplicando una tasa de crecimiento del 2% anual a la demanda proyectada del 2015. Los resultados de demanda estimada se presentan en la tabla a continuación.
Como se observa en la Tabla precitada, se espera que el puente Centenario genere una demanda suficiente para el año 2035 que se requiera la construcción de cuatro (4) carriles, en dos de los tres escenarios modelados. Por lo anterior, se selecciono la opción de cuatro (4) carriles para el diseño del Puente.
Tipo de Estructura
De acuerdo al tamaño y longitud de la luz principal del puente que se requiere, la cual se encuentra alrededor de los 500 metros, existen dos tipos de estructuras que pueden ser consideradas económicamente viables, las cuales consisten de: puentes atirantados o puentes suspendidos. Típicamente, los puentes suspendidos son económicamente mas competitivos para puentes de longitud mayor a 900 metros, aun cuando han sido construidos para puentes más cortos, de 450 a 800 m, se utilizan cuando existen condiciones especiales que considerar, tales como condiciones favorables de anclaje, restricciones de altura para las torres, o por razones estéticas. No obstante, para un puente como el que se requiere para cruzar el Canal, entre los puentes que se han construido recientemente, dominan en forma generalizada los puentes atirantados, excepto donde deben considerarse condiciones especiales como las mencionadas anteriormente.
Por lo anterior, dado que no existe ninguna de esas condiciones a considerar en el cruce por el Atlántico que favorezca la opción de puente suspendido; la opción seleccionada y considerada para este estudio es la de Puente atirantado. Este tipo de puentes, normalmente se construye de acero, concreto o una combinación de ambos. Asimismo, existen una variedad de tipos de torres, que se ajustan a cada tipo de estructura. Un análisis matricial donde se combinan cada una de estas opciones fue realizado por URS+COWI 2010, en el cual a partir de 29 opciones se preseleccionan 5 para un análisis mas detallado, incluyendo el análisis del costo inicial y del ciclo de vida de cada opción (ver Tabla 5-8 a continuación).
A partir del análisis de costo detallado, se seleccionó la opción de una estructura de concreto con torres delta, aun cuando esta no resultase la más económica. Sin embargo, el diferencial con la opción que resultó la mas económica (estructura de acero) representa el 1.5%, que no resulta ser significativo. La alternativa seleccionada se basó en las siguientes consideraciones:
1. Existe una preferencia por la estructura de concreto para maximizar el uso de materiales disponibles en Panamá, a manera de energizar la económica y evitar mantenimientos futuros asociados con el casco de acero.
2. La diferencia entre las opción de concreto con la de acero en el costo inicial es del 3.5% y en el costo de mantenimiento es del 1.5%. Esta leve diferencia no es un factor determinante a favor del acero, por lo que aun no siendo la opción mas económica se selecciona la opción de concreto.
Proceso Constructivo
Esta sección presenta una descripción de las características más importantes del proceso constructivo según el diseño de las diferentes estructuras que conforman el nuevo Puente para el cruce del Canal en el sector Atlántico. Dichas características están basadas en las especificaciones técnicas generales del MOP y otras guías de diseño internacionales. La fase de construcción inicia con la limpieza y desarraigue de la vegetación y el acondicionamiento del terreno; incluyendo excavación, relleno y nivelación, como se indicó en las secciones anteriores. Esta actividad de nivelación será necesaria dado que cerca de las riberas del Canal se presentan suelos inundables que retienen gran cantidad de agua durante todo el año.
Cimentación
El tramo principal estará sobre una fundación de pilotes prefabricados o eventualmente sobre una fundación vaciada en sitio a la formación de arenisca llamada Gatún, situada a unos 12 metros por debajo del nivel existente del sector Este y a unos 5 metros por debajo del nivel existente en el sector Oeste del Canal. Debido a las fuerzas sísmicas del área, los pilotes perforados deberán resistir fuerzas laterales y de tensión, además de la compresión axial a la que estarán sometidos. Sobre estas fundaciones, se asentarán las dos torres tipo delta que soportarán, mediante cables, la calzada propuesta. De la información obtenida mediante el estudio de geotecnia, se tiene que existe roca a 11 metros de profundidad en el sector Este y roca en la superficie en el sector Oeste. La presencia de roca disponible a una profundidad razonable al Este determina que se pueden colocar los pilotes perforados, mientras que hacia el sector Oeste los mismos se podrían colocar directamente sobre la roca. Se propone instalar un sistema combinado de fundaciones, flotantes de donde saldrán pilotes de 1.80 metros de diámetro.
Torres de Soporte
Serán empleadas dos torres tipo Delta atirantadas de 190 m de altura, una ubicada sobre tierra firme en el sector Este a una distancia de 54.4 metros medidos desde el la ribera del Canal hacia tierra firme y la otra estará localizada en el sector Oeste cimentada sobre el lecho marino a una distancia de 88 metros medidos desde la ribera hacia el Canal (Figura 5-9).
Las mismas, brindarán rigidez y resistencia a la torsión de la cubierta de rodadura y sección de losa que estará a la intemperie, serán construidas de hormigón armado vaciadas en sitio o construidas con elementos pre-fabricados y son una variante de las torres tipo “Y”. Este tipo de torre ofrece la oportunidad de usar un sólo plano de cables de soporte que mantendrán la rigidez torsional en caso de que se escoja una sección de losa de soporte cerrada, de esta misma forma la torre proporciona a la superestructura una estabilidad significativa a la torsión para el rendimiento aerodinámico del sistema en su conjunto. La zona de anclaje en la parte superior de este tipo de torres, es la que menos problemas de construcción ofrece al momento de su confección.
Cabe destacar que, se rellenará con material rocoso compacto desde la ribera del Canal hasta rodear la base de la torre ubicada en el sector Oeste, con el propósito de darle continuidad al camino no pavimentado que se utilizará como vía de acceso para la construcción, así como durante el período operativo del puente en sus actividades de mantenimientos futuros. De igual forma, este encofrado rocoso servirá de barrera de protección de posibles accidentes provocados por pequeños buques o embarcaciones que transiten la vía acuática.
Sección y Losa de Rodadura del Puente
Se trata de un sólo tipo de sección aérea de losa de rodadura con un nivel de servicio clase “C”, para el tipo de demanda vehicular esperada. La sección se divide en tres tramos, el tramo Este con una longitud de 215 metros, el tramo o luz central con una longitud de 500 metros entre ambas torres tipo Delta y el tramo Oeste con una longitud de 215 metros, brindando una longitud total del Puente de 930 metros (Figura 5-9).
La selección de los anchos de carril, hombros y ancho de barrera central se basan en las normas mínimas del American Association of State Highway and Transportation Officials "Norma en Materia de Diseño Geométrico de Carreteras y Calles, 2004”, así como en el estudio de tráfico previo. Esta sección está compuesta por vigas de concreto perimetrales que corren tanto longitudinalmente como transversalmente y que a su vez están soportadas por los cables con un espaciamiento aproximado de nueve metros entre ellas, podrán ser construidas en sitio o ensamblada con elementos pre-fabricados. La sección de rodadura propuesta tendrá un ancho total de 23.2 metros distribuidos de la siguiente manera: dos carriles de 3.60 metros en ambos sentidos, hombros internos y externos de 1.20 metros a ambos lados y en ambos sentidos, barrera central divisoria tipo Jersey con un ancho de 0.6 metros y 1.70 metros de espacio libre desde el fin del hombro exterior y el final de la losa. En este espacio libre se ubicará la barrera exterior tipo Jersey y el aterrizaje de los cables provenientes de las torres (Figura 5-10).
En su parte más alta, esta sección tendrá un gálibo o altura libre de 75 metros de alto medidos desde el nivel medio del agua. Esto permitirá, que en el futuro, cualquier tipo de buque, incluyendo los Post-Panamax, pueda pasar sin dificultad por la vía interoceánica (Figura 5-9).
5.9 Vista de planta y perfil del diseño del puente
El puente Centenario de Panamá es un puente atirantado que cruza el canal de Panamá. Desde su inauguración en el 2004 se convirtió en el segundo puente que cruza el canal, siendo el puente de las Américas el primer puente en cruzarlo. Para el año 2018 se espera que se concluyan los trabajos de construcción del puente atirantado del Atlántico, que será el tercer puente en cruzar el canal de Panamá. El puente Centenario debe su nombre a que su construcción conmemora el primer centenario del nacimiento de la República ocurrido el 3 de noviembre de 1903.
El puente tiene un diseño atirantado con un largo total de 1052 m. Su luz principal mide 420 m y tiene un gálibo de 80 metros sobre el canal de Panamá, permitiendo que los grandes buques pasen por debajo de él. El puente está apoyado en dos torres de 184 m de alto. Tiene una anchura de 6 carriles de tráfico. Fue diseñado para soportar los frecuentes temblores de tierra de la zona del canal. La torre oeste del puente fue construida 50 metros tierra adentro para permitir la ampliación del Canal de Panamá.
Famosa fotografía de Benjamín Baker, en la que a través de un modelo vivo se representó el principio estructural de voladizos en que se basó la solución al puente Firth sobre el Forth
"Para ilustrar la teoría estructural de una viga en voladizo o cantiléver (Gerber) se llevó a cabo una demostración humana. Las cargas estaban representadas por la persona sentada en la mitad del vano del tramo suspendido. Los brazos de las personas sentadas a ambos lados representaban la tracción en las uniones; las barras de madera, la compresión en los elementos inferiores, y los ladrillos, los puntos de anclaje situados en los pilones. Las sillas representan las pilas de granito. Imagínense las sillas separadas 500 m y las cabezas de los hombres tan altas como la cruz de S. Pablo (iglesia londinense, 104 m) sus brazos representados por vigas de acero y los bastones por tubos de 3.5 m de diámetro en la base se obtiene una buena noción de la estructura".
Heinrich Gerber aplicó en 1866 una teoría que consistía en subdividir la viga continua a través de rótulas "las cuales definen un punto de momento flector cero". Este tipo de vigas con articulaciones intermedias es lo que ahora se conoce como Viga Gerber. La posición donde se ubican estas rótulas permite incidir en el comportamiento de la viga; por lo que no sólo se usa de forma directa en algunas estructuras, sino que en algunos proyectos se puede idealizar una viga real asimilándola a una viga Gerber, cuyo isostatismo permite un cálculo aproximado sencillo.
Vista panorámica del Puente Firth Ford (1882-1890), Escocia
Dimensiones de vano principal y de gálibo vertical del puente Duge
Al año 2017 los puentes atirantados con el gálibo más grande del mundo son los siguientes:
- Puente Duge: Gálibo 565.00 m, Luz principal 720 m, Inauguración 2016, Liupanshui, China
- Puente Yachi: Gálibo 434.00 m, Luz principal 800 m, Inauguración 2016, Guizhou, China
- Puente Baluarte: Gálibo 402.57 m, Luz principal 520 m, Inauguración 2012, Durango, México
- Puente Millau: Gálibo 270.00 m, Luz principal 342 m, Inauguración 2004, Aveyron, Francia
Se puede apreciar que dos de los cuatro puentes atirantados precitados se ubican en China, siendo el puente Duge más conocido como Beipan o Beipanjian el puente atirantado con el gálibo más grande del mundo.
Los puentes atirantados con el claro más largo en el mundo al año 2017 son los siguientes:
Se puede apreciar que dos de los trece puentes atirantados precitados se ubican en Rusia, de los cuales el puente Russky es el puente atirantado con el claro más largo del mundo.
Se puede apreciar que la mayoría (ocho de trece) de los puentes atirantados precitados se ubican en China.
Las dimensiones de los vanos de los 13 puentes con el claro más largo del mundo precitados van desde los 720 m hasta los 1104 m.
Los puentes atirantados Yachi y Duge ubicados en China son los puentes atirantados con el claro más largo del mundo últimamente construidos (2016).
Nota:
El puente Yavuz Sultan Selim o Tercer puente del Bósforo, en Turquía, al año 2017, es el puente con el claro más largo del mundo pero se trata de un puente de tipología híbrido (atirantado y colgante) por lo cual no fue considerado en la lista precitada.
