INTRODUCCION

Innovar no es un concepto nuevo. Se trata de un proceso por el que mediante una determinada acción sobre un elemento, este se transforma obteniendo otra utilidad o mejorando la que ya tenía en el momento de su concepción. En el campo de la ingeniería civil, la innovación se ha transformado en una actitud.

Los arcos como elementos estructurales existen desde hace 4.000 años, pero fueron los ingenieros romanos los primeros en aprovechar eficazmente sus propiedades resistentes. Se dieron cuenta de que no era necesario abarcar todo el espacio de un vez y dividieron el arco en varias secciones más pequeñas, aplanaron su forma para crear el arco rebajado y al repetirlos en varios intervalos construyeron apoyos más resistentes que permitían cruzar grandes vanos. De hecho, el arco se convirtió en uno de los elementos que definen el estilo arquitectónico romano.

La Ingeniería romana es en muchos aspectos sinónimo de ingeniería militar. Los puentes flotantes o pontonas fueron diseñadas y construidas en su mayoría durante la guerra y eran una especialidad de Julio César. En el año 55 antes de Cristo, construyó un puente de pontonas de 400 metros de largo para cruzar el río Rin. La construcción de un puente flotante sin desviar el río es muy difícil de hacer, y debe ejecutarse de forma rápida y precisa.

La innovación en este caso vendría de la mano de la impresora 3D, Julio Cesar podría imprimir su puente y seguir dando un paseo a sus legiones. La impresora 3D es considerada por la Agencia Espacial Europea la invención precursora de la tercera revolución industrial, como en su día fueron la invención de la máquina de vapor o el motor de combustión interna. La variedad de objetos que se pueden imprimir con una impresora 3D, a día de hoy, es infinita y tiene influencia prácticamente en todos los campos de la ciencia (medicina, automoción, ingeniería, etc.), incluso nos permitiría competir en “Master Chef” ya que podríamos llegar a imprimir comida.

Como hemos visto la Ingeniería Civil ha sido y será un factor determinante para el desarrollo de la humanidad. Los ingenieros civiles han estado, están, y estarán en permanente búsqueda de nuevos componentes y materiales específicos para la construcción y mejorando los procesos constructivos y de gestión. En esta búsqueda seguirán criterios tanto económicos y de optimización (resistencia y durabilidad) como de mínimo impacto ambiental (contaminación en su fabricación, en su uso, y al final de su vida útil), aprovechando al máximo los recursos naturales, minimizando los residuos, y en definitiva, buscando la sostenibilidad.

El desarrollo de hormigones de altas prestaciones, el uso del pos tensado como sistema de conexión entre piezas prefabricadas, la posibilidad de transportar y manipular grandes masas, la capacidad para realizar ensayos precisos a gran escala y el desarrollo de modelos rigurosos de cálculo, han permitido desarrollar nuevos tipos de estructuras prefabricadas de hormigón pretensado con grandes prestaciones estructurales y estéticas, competitivas económicamente.

INNOVACIÓN EN PUENTES

PUENTES PREFABRICADOS CON CONTINUIDAD ESTRUCTURAL

En el ámbito de los puentes, los autores han colaborado con Structural Research SL, en el desarrollo de nuevos tipos de puentes prefabricados que aúnan las ventajas de la prefabricación con las de los puentes construidos “in situ”. Por una parte, la prefabricación permite trabajar con hormigones de altas prestaciones, reducir espesores, homogeneizar la calidad, mejorar los acabados, reducir la afectación al tráfico durante la ejecución, aumentar la velocidad de construcción y reducir los riesgos laborales. Sin embargo sus puntos débiles son el transporte, la manipulación y, sobre todo la solución de uniones entre elementos y los apoyos, que ha dado lugar a estructuras casi exclusivamente isostáticas. En los casos que se presentan, se ha resuelto adecuadamente la unión de elementos prefabricados mediante pos tensado, dando lugar a estructuras continuas en sentido longitudinal, con las consiguientes ventajas estructurales en cuanto a rigidez y redundancia. Así mismo se logran tableros de gran anchura uniendo transversalmente las almas de vigas adosadas o tableros de gran canto, adecuados para para cubrir grandes luces, conectando verticalmente las almas de piezas a través de juntas longitudinales. Se prefabrican así mismo elementos de canto variable, de planta recta o curva, con jabalcones longitudinales o transversales y puentes de tipos diversos, tales como tableros en viga continua, arcos, puentes pórtico o atirantados. Se trata, por tanto, de soluciones que estética y estructuralmente son totalmente comparables a las construidas in situ, con todas las ventajas de la prefabricación, tal como se indica en la figura 1 que corresponde a puentes construidos con este sistema en cuyo análisis estructural han participado algunos autores de esta ponencia.

En el Departamento de Ingeniería de la Construcción se han desarrollado modelos de análisis estructural no lineal en el tiempo, capaces de simular las fases constructivas y el comportamiento no lineal instantáneo y diferido de los materiales. Estos modelos, basados en el MEF utilizan elementos unidimensionales con la sección transversal idealizada mediante fibras, sometidas a un estado uniaxial de tensiones, incorporando ecuaciones constitutivas no lineales de los materiales. La estructuración en etapas constructivas, pasos de tiempo, escalones de carga e iteraciones de equilibrio permiten

tener en cuenta el carácter marcadamente evolutivo de la construcción, así como evaluar la seguridad y la respuesta en servicio de estas estructuras a corto y a largo plazo. El comportamiento de pilas de gran altura, en las que los efectos de segundo orden pueden ser importantes, se reproduce adecuadamente gracias a la consideración en el cálculo de la no linealidad geométrica mediante una formulación La grangiana actualizada. Uno de los aspectos más relevantes del modelo es que permite tener en cuenta la interacción entre el comportamiento no lineal de los materiales, los efectos de segundo orden, el comportamiento diferido y el proceso constructivo evolutivo, tal como ocurre en la realidad a lo largo de la vida útil de las estructuras. Fenómenos como la fisuración diferida o las redistribuciones de esfuerzos en el tiempo en estructuras construidas evolutivamente pueden ser simulados así como sus efectos en la rigidez y la resistencia. Recientemente se han incorporado, así mismo, los efectos del deterioro por la acción ambiental sobre la respuesta estructural, por ejemplo los efectos estructurales de la reducción del área de acero de las armaduras por corrosión, la pérdida de recubrimiento o la rotura súbita de algún alambre de pretensado debido a la corrosión bajo tensión. Igualmente se han incorporado en el modelo, de forma natural y como un paso más en su carácter evolutivo, los efectos de cualquier intervención, tanto para adecuar la geometría, el esquema estructural o los apoyos a nuevas condiciones viales o de tráfico, como para repararlo o reforzarlo. También se han llevado a cabo ensayos a gran escala en el Laboratorio de Tecnología de Estructuras, para verificar experimentalmente los modelos teóricos e identificar algunos aspectos del comportamiento estructural no abordados por aquéllos.

SANTIAGO CALATRAVA, INNOVADOR DISEÑO DE PUENTES:

Conceptos de diseño de Calatrava

El concepto de diseño de sus puentes se apoya en reglas que para él son indispensables, el conocimiento de la ingeniería estructural y el conocimiento de los sistemas constructivos en el momento del diseño.

Para Calatrava existen tres aspectos que pueden modelarse en el diseño de un puente: las fuerzas simétricas o asimétricas en el arco del puente, el trabajo a tensión y compresión de los arcos y el trabajo de las columnas como apoyo y soporte para los arcos en su función de distribuir el peso hacia el subsuelo.

Estos tres aspectos confluyen en un punto ideal de diseño: la arquitectura y la ingeniería de los puentes deben ser orgánicas ya que la estructura de éstos se asemeja a la del cuerpo humano, y su juego de la tensión y la compresión en cada punto semeja el esfuerzo del cuerpo por estabilizar las fuerzas.

Para demostrar estos conceptos he escogido un ejemplo de uno de sus puentes más significativos, el puente del Alamillo, que reúne dos características inigualables: la audacia del mástil como solución estructural novedosa y la solución formal del viaducto como complemento, en unión con la forma del puente y la utilización del concreto armado.

Además, el planteamiento del trazo en ambos casos logra crear espacios urbanísticos que vienen a renovar el aspecto de una ciudad que se encuentra en crecimiento y que debe ir acorde con la imagen de modernidad de esa zona.

El puente del Alamillo en Sevilla

Problemática de la zona

La municipalidad de la ciudad de Sevilla planteó ante el gobierno de España la necesidad de resolver un problema que se estaba generando en la zona, debido al crecimiento de la ciudad y los conflictos viales que se suscitaban en el puente antiguo, ya que sus dos estrechos carriles de circulación no se daban abasto para recibir la cantidad de vehículos que circulan a diario por esta vía.

Por otro lado, coincidió por esas fechas la nominación de la ciudad de Sevilla como sede de la Expo Mundial Sevilla ’92, un acontecimiento que la iba a convertir en un punto de interés internacional. Por ello, las autoridades resolvieron encargar la solución del puente al arquitecto Santiago Calatrava.

Ubicación del puente

La ubicación del puente se decidió en función de dos razones básicas: la zona de crecimiento de la ciudad hacia el noroeste y los terrenos que alojarán los stands de la feria internacional.

A esto se agregó que, debido a la planeación de la feria, se obligó el gobierno a construir un viaducto que agilizara la circulación paralela a la ribera del río y permitiera un tránsito fluido hacia ambos puentes.

Se analizó con un estudio de mecánica de suelos el terreno ideal para construir el puente, ya que por las características del subsuelo no se podía alojar en cualquier zona, siendo que la ribera del río denotaba arenas arcillosas de poco volumen y muy expansivas, lo que obligaría a realizar una excavación muy profunda.

Concepto del diseño

Originalmente se había pensado en un puente gemelo, con un diseño tradicional, es decir, con dos secciones de rodamiento simétricas, un soporte con arco metálico y cables de tensión en las dos líneas paralelas del mismo para soportar la carpeta de rodamiento. Sin embargo, en un despliegue de osadía, Calatrava se inspira en su teoría de que el diseño de puentes debe ser orgánico y, tomando como ejemplo el mástil de los barcos y veleros de la zona, logra crear un arco invertido y girado sobre su base a 58 grados.

De hecho, la solución cubre dos aspectos ya que, por un lado, tiene que resolver el diseño del puente, pero por el otro debe unirlo con el viaducto que lleva a la parte nueva de la ciudad y a la zona de la exposición

Al optar por el mástil, decide utilizarlo e invertirlo como sustituto del tradicional arco que soportaría los cables de tensión, que a la vez soportarían la carpeta de rodamiento, retando a las fuerzas a trabajar a la tensión y a la compresión, como lo demuestra el dibujo realizado por él.

Además, toma el mástil como elemento emblemático y distintivo de la zona, tanto para la ciudad como para la Expo Sevilla ‘92, logrando con ello una escultura urbana de grandes dimensiones que daría carácter y personalidad a la ciudad misma.

El viaducto representa, para el otro lado, el complemento del puente, y plantea una problemática diferente ya que, por los niveles de desplante del puente y el terreno asignado, existe una diferencia considerable entre el puente y la unión con el viaducto, por lo que llega a una solución ingeniosa.

Otra de las novedades del diseño del viaducto es la posición y forma de las columnas ya que, por la inclinación que tienen, se logra adelgazarlas en su parte superior a la vez que se ahorra concreto y peso.

Solución arquitectónica

Después que Santiago Calatrava define el concepto del diseño, viene la segunda parte del trabajo al tener que resolver los aspectos arquitectónicos, tanto en el puente como en el área del viaducto.

La cimentación del mástil se aprovecha para crear un espacio que por lo regular es área perdida en cualquier puente. En este caso, Calatrava logra generar una terraza que, formando parte de la cimentación, da la vuelta en forma perimetral y por debajo de la estructura del puente, dejando ver la parte baja de la estructura de rodamiento, lo que permite admirar la monumentalidad de la estructura y al mismo tiempo tener una vista hacia el río. El excelente diseño de iluminación permite admirar la estructura también por la noche.

Otra de las soluciones arquitectónicas del puente estriba en la parte de abajo de su área de rodamiento, al dejar ver la estructura de la misma hacia la parte extrema, lo que hace que el espectador sienta la profundidad y el volumen real de la misma.

Este aspecto del diseño es una aportación interesante, ya que muchos diseñadores acaban despreciando la parte baja de los puentes por pensar que no es un zona atractiva para el espectador.

En el viaducto, lo más sobresaliente del diseño es la posición de las columnas con respecto al área de rodamiento y esa ligereza estructural que la hace sentir más como un

túnel o una bóveda de cañón corrido. Los tragaluces circulares cumplen una doble función, al aligerar el peso de la estructura y, al mismo tiempo, crear una sensación estética de luz y cuerpo.

Calatrava cuida hasta el más mínimo detalle y diseña también los barandales de protección y los postes del alumbrado.

En este viaducto, el paso peatonal se ubica en un segundo nivel y, por la posición en la que queda, se logra obtener además un mirador hacia ambos lados del río, lo que hace más placentero el paso por el puente, al mismo tiempo que separa las áreas de circulación de los diferentes vehículos. Resulta interesante observar la sección del viaducto en corte, ya que la ligereza de los perfiles, tanto de las columnas como de las áreas de tránsito, denota el oficio que hace posible un lenguaje formal que se adapta al entorno.

Solución estructural

Este puente puede presumir de tener soluciones variadas y además acertadas, ya que por lo complejo del diseño, Calatrava debe resolver de manera integral la estructura del mástil, su cimentación, el área de rodamiento del puente y el diseño de ingeniería del viaducto.

La cimentación del mástil se logra gracias a un gran dado de concreto armado en el que se empotra el mástil, formando una pieza monolítica que se flexibiliza por la camisa de acero que se le ha puesto.

El mástil fue fabricado con una envoltura hecha con placas de acero, y reforzado en su interior con concreto armado. Tiene una altura de 142 metros sobre el nivel de piso terminado y una inclinación de 58° con respecto a la horizontal, lo que le permite recibir los esfuerzos de la tensión de los cables que soportan el puente, adoptando en su diseño la forma de un brazo y jugando con la tensión de soporte y la flexibilidad de los materiales.

La carpeta de rodamiento del puente se concibe en un sistema estructural mixto, formado por una estructura metálica para soportar ambos carriles de circulación y un recubrimiento o carpeta de concreto hidráulico que cumple la función de capa de compresión, con un corazón central en forma de hexágono que permite lograr un núcleo resistente y aloja los soportes de los cables tensores que viajan desde el mástil hasta la parte baja del puente y al mismo tiempo dejando en cantiliver los carriles de circulación, a manera de alas de un avión, sólo reforzado en su parte inferior con unas ménsulas o refuerzos de acero que se van rebajando hasta llegar a punto cero.

Por su parte, el viaducto cumple con dos premisas muy importantes para su construcción: ser de concreto aparente y estar edificado con una cimbra deslizante para permitir su ejecución en un tiempo menor.

De una forma sencilla y práctica, las columnas adoptan una posición de contrafuertes, lo que permite su adelgazamiento en la parte de la corona o remate, a la vez que recibir la carga del área de rodamiento, formada en su parte baja por un arco rebajado que semeja una bóveda de cañón corrido como en los antiguos refectorios de los conventos del siglo XVI, solución por demás práctica y económica, ya que permite lograr un gran claro.

En este caso especial, Calatrava logra mimetizar el concepto de las antiguas bóvedas, pero aligeradas y muy estilizadas, permitiendo un diseño contemporáneo, moderno y novedoso para una estructura vial.

La cimbra deslizante hizo posible que el viaducto se construyera en menos tiempo de lo planeado, y además permitió dejar el concreto aparente en su parte baja, lo que ayudó a no invertir demasiado en los terminados. Esta cimbra fue diseñada en el sitio y se movía a través de una vía férrea colocada para ese uso específico, la cual se retiró al concluir los trabajos.

INNOVACIÓN DE UN PUENTE CONTRA LA CONTAMINACIÓN

Se trata de una reacción química que al aprovecharse en ciertos materiales, como el concreto, permite mitigar la polución ambiental.  ”Funciona como una planta durante la fotosíntesis, en el sentido de que consume el CO2 (dióxido de carbono) y regenera el aire alrededor del lugar en el que se encuentra”, explica Toni Casamor, del estudio BCQ Arquitectura Barcelona. El estudio está a cargo de la remodelación del puente Sarajevo, en Barcelona, España, y que incluirá hormigón con el aditivo que permite que ocurra el proceso descrito.

Lo que ocurre es lo siguiente: “Cuando materiales conocidos como fotocatalíticos absorben las radiaciones ultravioleta del sol, las sustancias contaminantes producidas por la actividad humana, se convierten en elementos inocuos”. 

Es así como al utilizarse en el pavimento de alguna calle, justamente donde se origina la polución, como es el caso del puente Sarajevo, el proceso de fotocatálisis descompone elementos orgánicos como alergénicos, algas, bacterias y el óxido de nitrógeno producido por el combustible de los automóviles que, a su vez, contribuye a la formación de la lluvia ácida. El concepto de fotocatálisis se conoce desde hace años, sin embargo, “su aplicación en materiales cuyo componente principal es el cemento, es algo reciente”.

CONCLUSIONES

Una de las grandes virtudes de este puente es la audacia con que fue diseñado por Santiago Calatrava, quien pudo experimentar con su teoría de que las estructuras se asemejan al cuerpo humano y a las formas animales existentes.

En él aplicó su gran conocimiento del comportamiento de los materiales de construcción y del comportamiento de una estructura en sus esfuerzos tanto al cortante como a la tensión y la compresión.