Puente de Viga de Hormigón: Diseño, Construcción y Tendencias Futuras

Antecedentes

En Estados Unidos, casi 590.000 puentes carreteros cruzan ríos, depresiones de tierra seca e incluso otras carreteras y ferrocarriles. Mientras puentes icónicos de arco, cableados y de celosía capturan la mirada, la columna vertebral del sistema vial es el práctico y económico puente de viga de hormigón, también llamado puente de viga principal.

Un puente de viga es una losa horizontal simple apoyada en apoyos en cada extremo. Como la carga de la losa se transfiere verticalmente a los pilares, estos pueden ser menos masivos que los necesarios para arcos o puentes colgantes, que redistribuyen parte del peso horizontalmente.

Los puentes de viga se usan típicamente para vanos de 76,2 m o menos. Distancias mayores se logran uniendo varias vigas simples en un vano continuo. El puente más largo del mundo, la Calzada del Lago Pontchartrain en Luisiana, comprende dos vanos continuos paralelos de dos carriles de casi 38,4 km. El primer puente, completado en 1956, contiene más de 2.000 vanos individuales; su gemelo, terminado 13 años después, es 69,5 m más largo pero usa solo 1.500 vanos.

Un puente consta de tres elementos clave: la subestructura (cimentación) que transfiere el peso al suelo; la superestructura, la plataforma horizontal entre pilares; y el tablero, la superficie de rodadura añadida a la superestructura.

Historia

Los primeros humanos imitaron la naturaleza, caminando sobre árboles caídos en arroyos y luego colocando troncos o losas de piedra para crear cruces. Para aguas más anchas, apilaban piedras y colocaban vigas de madera o piedra entre pilares y la orilla.

Herodoto describió el primer puente documentado en 484 a.C., una estructura de madera apoyada en columnas de piedra construida sobre el río Éufrates unos 300 años antes.

Los romanos, famosos por sus puentes de arco de piedra y hormigón, también construyeron puentes de viga. El primer puente de viga romano, el Pons Sublicius sobre el Tíber en 620 a.C., estaba hecho de vigas de madera (sublicae). La construcción romana usaba cajones: disposición circular de postes de madera hincados en el suelo, sellados con arcilla y bombeados en seco para permitir que el hormigón fraguara in situ.

La transición de arte a ciencia comenzó en 1717 cuando el ingeniero francés Hubert Gautier publicó un tratado sobre construcción de puentes. En 1847, el ingeniero americano Squire Whipple publicó Un trabajo sobre construcción de puentes, introduciendo los primeros métodos analíticos para tensiones y deformaciones en puentes. La ingeniería consultiva de puentes se convirtió en especialidad de ingeniería civil en la década de 1880.

Los avances en construcción de puentes de viga han seguido en gran medida mejoras en materiales de construcción.

Materiales de construcción y su desarrollo

Los puentes de viga carreteros modernos se construyen principalmente con hormigón y acero. Los romanos usaban una mezcla de cal-puzolana que fraguaba rápido, incluso bajo agua, y era fuerte e impermeable. En la Edad Media, el mortero de cal la reemplazó pero era soluble en agua. El cemento Portland actual, inventado en 1824 por Joseph Aspdin, se generalizó para cimentaciones a principios del siglo XX.

El hormigón destaca a compresión pero es más débil a tracción. Los intentos del siglo XIX de reforzarlo implicaban insertar hierro. El ingeniero francés François Hennebique perfeccionó el hormigón armado en la década de 1880 usando barras de acero. El primer puente significativo en EE. UU. en usar hormigón armado fue el Puente del Lago Alvord en el Parque Golden Gate de San Francisco, completado en 1889 y aún en uso.

El siguiente avance fue el preesforzado: tensar barras de acero en una viga de hormigón antes o después del vaciado. Esto pre-comprime el hormigón, compensando fuerzas de tracción que surgen al aplicar cargas. El preesforzado puede aplicarse a vigas prefabricadas transportadas al sitio o a hormigón vaciado in situ. El pretensado aplica tensión antes del vaciado; el postensado la aplica tras endurecer el hormigón alrededor del acero.

Diseño

Cada puente requiere un diseño a medida que considere topografía, corrientes de agua, formación de hielo, viento, actividad sísmica, condiciones del suelo, tráfico proyectado, estética y restricciones de coste. La solidez estructural exige análisis de carga muerta (peso propio del puente), carga viva (tráfico) y carga ambiental (viento, fuerzas sísmicas, colisiones). Desde finales de la década de 1960, la redundancia —asegurando que el fallo de un elemento no colapse toda la estructura— se ha convertido en principio de diseño estándar.

Proceso de fabricación

La construcción varía según sitio y propósito, pero los siguientes pasos ilustran un puente típico de hormigón armado sobre río somero con apoyos intermedios.

A continuación, dimensiones de ejemplo de un puente de autopista de 1993 sobre el Río Grande en Albuquerque, Nuevo México: 379,5 m de largo, 10 carriles de ancho, 88 columnas, 8.760 m³ de hormigón estructural, 6.120 m³ de hormigón de pavimento, y 2,8 millones de kg de acero de refuerzo.

Subestructura

• Construir un cajón alrededor de cada ubicación de columna y bombear el agua. Perforar pozos hasta roca madre (≈24,4 m de profundidad). Mientras se extrae el suelo, una lechada de arcilla evita el colapso del pozo. Bajar una jaula de armadura de 2 m de diámetro en el pozo lleno de lechada y bombear hormigón al fondo. La lechada es expulsada arriba, recogida y reutilizada.
• Preparar estribos en la orilla. Verter un muro trasero de hormigón entre la coronación de la orilla y el lecho del río para retener terreno más allá del extremo del puente. Formar un estribo (asiento) en la coronación del muro trasero; muros aleros pueden extenderse hacia afuera para retener relleno de acceso.
• En este ejemplo, cada punto de apoyo usa un par de columnas. Instalar una viga de coronación de hormigón armado perpendicular a la dirección del puente, conectando las cimas de las dos columnas. Otros diseños pueden usar un pilar rectangular o una sola columna en T.

Superestructura

• Usar grúa para posicionar vigas de acero o hormigón preesforzado entre juegos de columnas. Atornillar vigas a las coronaciones de columnas. En Albuquerque, cada viga medía 1,8 m de alto, hasta 40 m de largo y pesaba hasta 54 toneladas.
• Colocar paneles de acero o losas de hormigón prefabricado sobre las vigas para formar plataforma sólida. Un fabricante ofrece panel de acero corrugado de 11,43 cm de profundidad; alternativa es encofrado metálico perdido para el tablero de hormigón.

Tablero

• Colocar barrera de humedad sobre la plataforma de la superestructura; un asfalto modificado con polímero aplicado en caliente es común.
• Construir una malla tridimensional de acero de refuerzo sobre la barrera, con capas cerca del fondo y la parte superior de la futura losa de hormigón.
• Vaciar pavimento de hormigón. Para autopista, 20,32-30,5 cm de hormigón es típico. Si se usaron encofrados perdidos, vaciar directamente en ellos; en caso contrario, usar máquina de encofrado deslizante para vaciado continuo, compactado y alisado. Aplicar textura antideslizante rayando la losa fresca con cepillo o arpillera. Proporcionar juntas laterales cada 5 m para prevenir fisuras; sellar con sellador flexible.

Control de calidad

El diseño y construcción de puentes deben cumplir estándares de agencias como la Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras y Transporte, la Sociedad Americana de Ensayos y Materiales, y el Instituto Americano del Hormigón. Materiales y componentes estructurales se prueban durante la construcción. Para el proyecto de Albuquerque, se realizaron pruebas estáticas y dinámicas de resistencia en una cimentación de columna de muestra y en dos pozos de producción.

El futuro

La investigación de agencias gubernamentales y asociaciones industriales se centra en materiales más ligeros, fuertes y duraderos. Innovaciones futuras incluyen formulaciones de hormigón de alto rendimiento, compuestos de polímero reforzado con fibra para reemplazar hormigón en algunos componentes, recubrimientos epoxi y sistemas de protección electroquímica para armaduras, fibras de refuerzo sintéticas alternativas, y técnicas de ensayo más rápidas y precisas.