Los puentes de carretera en ménsula

Un puente en ménsula es un puente en el cual una o más vigas principales trabajan como ménsula o voladizo. Siete de los 10 puentes de carretera en ménsula con mayor longitud del planeta se encuentran en los Estados Unidos de América, siendo Canadá el país poseedor del mayor de todos. En Fieras de la Ingeniería analizamos a continuación los 10 puentes de carretera en ménsula más largos del mundo, clasificados según la longitud de su vano principal.

1. Puente de Quebec, en Canadá:

El Puente de Quebec, es el puente en ménsula más largo del mundo con un vano principal de 549 metros, permitiendo cruzar el río San Lorenzo conectando la ciudad de Quebec con la localidad de Lévis. El puente de una longitud total de 987 metros, propiedad de la Canadian National Railway, fue completado en 1917 y abierto al tráfico en 1919, cuya construcción tuvo un coste de 25 millones de dólares. En líneas generales el puente dispone de un ancho de 20,4 metros integrando tres carriles de carretera, una línea de ferrocarril y una vía peatonal, con una estructura apoyada en dos pilares principales establecidos en el lecho del río. El puente se derrumbó en dos ocasiones durante la fase de construcción, en 1907 y 1916, en el que perdieron la vida un total de 88 personas.
La construcción del puente fue supervisada por la Quebec Bridge y la Railway Company. Inicialmente la Phoenix Bridge Company le fue concedido el contrato de construcción, mientras que la empresa Theodore Cooper fue la responsable de ingeniería y Peter Szlapka of Phoenix Bridge Company la encargada de proporcionar el diseño para el primer puente, que finalmente se derrumbó en 1907. El equipo de ingenieros que participó en la nueva construcción después del accidente de 1907, incluyó a H. E. Vautelet, Maurice FitzMaurice y Ralph Modjeski.

Tecnología del hormigón

Uno de los elementos más utilizados en las obras civiles, es el hormigón. Este se presenta en una gran variedad, dependiendo de los requerimientos de la estructura en proyección. Dentro de esta variedad se encuentra el hormigón marino, el cual se caracteriza por ser utilizado para estructuras que deben estar en continuo contacto con el agua o no. Para cumplir con este requisito, es que este tipo de hormigón debe constar con características especiales en sus constituyentes, como los son el tipo de agregado, el agua de amasado, el cemento y aditivos.
El hormigón marino propiamente tal, es un hormigón el cual debe mantenerse inerte a las características del ambiente en el cual se encuentra, esto significa que el cemento y agregados no deben reaccionar con elementos presentes en el agua. Además este debe ser impermeable, para que así las armaduras utilizadas no sufran de corrosión. Esas características anteriormente enunciadas deben acompañar a las deresistencia requerida por la estructura.
Dentro de las utilizaciones que se le da a este tipo de hormigón, se encuentra la construcción de estructuras marítimas (puertos, muelles, embarcaderos, amarraderos), cimentaciones de puentes, estanques, lastres para emisarios y todo tipo de estructura que esté en constante contacto con el agua. En este estudio se hará especial énfasis en las estructuras marinas y el ambiente marítimo.

Ambientes marinos

El principal proceso de degradación del hormigón armado en ambiente marino es la corrosión de las armaduras por la acción de los cloruros del agua del mar, ya que la utilización de cementos resistentes a sulfatos o agua del mar evita el problema de que se presente este tipo de ataque.
El cálculo de la vida útil de una estructura de hormigón armado en ambiente marino debe contabilizar el periodo de iniciación (tiempo que tardan los cloruros en alcanzar el nivel de las armaduras y despasivarlas) y el periodo de propagación (tiempo que tarda en producirse la fisuración del recubrimiento) de la corrosión.
El periodo de iniciación depende de la velocidad de penetración de los cloruros en el hormigón, función de su calidad. El periodo de propagación depende de la disponibilidad de oxigeno en el interior del hormigón, controlado por el tipo de ambiente en el que se encuentra, así como por la propia calidad del hormigón, en términos de permeabilidad al oxigeno y resistividad.
En las construcciones de hormigón armado expuestas al ambiente marino, la duración tanto del periodo de iniciación como del de propagación, y consecuentemente el riesgo de corrosión, esta condicionado por el tipo de ambiente marino en el que se encuentra la estructura:
El ambiente marino presenta diversos grados de agresividad para las estructuras de hormigón armado, que se subdividen en tres zonas:

• Zona sumergida: la situada por debajo del nivel mínimo de bajamar.
  
• Zonas de marea: es la zona de carrera de mareas
  
• Zona aérea: situada por encima del nivel de pleamar y con influencia hasta 5 Km. de la línea costera

División del ambiente marino y riesgo de corrosión
En zona sumergida el hormigón siempre esta saturado y el agua se introduce bajo presión cuando esta a cierta profundidad y por absorción cuando se trata de hormigón por debajo del nivel de Bajamar, los cloruros pueden avanzar rápidamente y profundizar mucho en el hormigón por que el mecanismo de transporte es la permeabilidad. Sin embargo, no hay oxigeno y por tanto lo único que se puede producir es una corrosión negra o verde, con productos poco expansivos, sin consecuencias. Se considera ambiente pobre en oxigeno al situado a mas de 1 m por debajo del nivel del mar.
En zona de carrera de mareas el hormigón no llega a secarse, por lo que siempre esta saturado. En esta zona los cloruros avanzan lentamente por difusión, pero con el tiempo pueden alcanzar el nivel de armaduras. Sin embargo, en esta zona tampoco hay oxigeno para generar la corrosión.
a zona aérea inmediatamente superior al nivel alto de carrera de mareas, llamada zona de salpicaduras se humedece y seca alternativamente. Los cloruros pueden avanzar rápidamente por succión capilar, alcanzando así una determinada profundidad, a partir de la cual continúan profundizando por difusión. En esta zona si hay acceso de oxigeno y elevada humedad, por lo que el riesgo de corrosión es alto.
Si se da la circunstancia de que en la estructura marina, la armadura que se encuentre en zona de carrera de mareas, esta conectada con la armadura situada en zona de salpicadura se pueden establecer macro pilas con la zona anódica (que sufre la corrosión) en la parte mas alta en la zona de carrera de mareas y la zona catódica en la zona de salpicaduras.
En la zona aérea, los cloruros acceden por la niebla salina, depositada en superficie por el viento, condensación, etc. Puede haber algún transporte por succión capilar, pero fundamentalmente lo hay por difusión. El avance es más lento que en el resto de las zonas, y tarda mucho tiempo en alcanzar las armaduras. Cuando esto sucede, se produce corrosión porque hay oxigeno y humedad accesibles. Pero antes se habrá originado la corrosión en las zonas de mayor riesgo.
Si adicionalmente el hormigón situado en las zonas de mayor riesgo antes mencionados, esta fisurado con anchura de fisura por encima de 0.4 mm, a través del las fisuras, los cloruros avanzan muy rápidamente por absorción, alcanzando puntualmente las armaduras, y originando ánodos de corrosión localizada. Sin embargo, incluso en estas circunstancias puede no aparecer corrosión, si el hormigón del recubrimiento es de muy elevada calidad, y no permite el acceso de oxigeno y humedad para generar las zonas catódicas.

Cálculo simplificado determinación de parámetros de inundación causada por rotura

 

La necesidad de agua para mantener y dar vida es primordial. Muchas son las construcciones ejecutadas a lo largo de la historia para abastecernos como usuarios, ya sea para consumo o para mantener los campos de cultivos.
Una de las construcciones realizadas como embalse para almacenar este preciado líquido, es la Presa de tierra. Muchos son los asentamientos poblacionales que están localizados aguas abajo de estos embalses y en caso de catástrofe, rotura total o parcial de la cortina de la presa, se debe contar con un plan de contingencia, que sirva como herramienta para evaluar las condiciones y brinde datos concretos de los niveles alcanzados por el volumen de agua producido por la rotura en cada una de las secciones aguas abajo del embalse, para saber con precisión el daño que ocasiona y el tiempo que demora en llegar a cada sección el gasto de rotura.
En Cuba, este proceso de cálculo, se utiliza como herramienta para controlar niveles de inundación en las diferentes cuencas de los diferentes ríos que cuentan con embalses, por la defensa Civil, organismo rector en caso de catástrofes, aunque se han hecho estudios, cada cierto tiempo se debe recalcular pues las condiciones de frontera, secciones y cauces están en constante cambio y para mantener datos fidedignos se debe evaluar las características de los mismos, para rectificar los cambios ocurridos en el cauce del rio, en las laderas o en la cuenca. A partir de estos estudios se distribuyen las tierras cercanas o dentro de la zona de inundación, por parte de organismos rectores como es Planificación Física, la cual aprueba las Micro localizaciones, para el uso de esos terrenos ya sea para construir alguna obra en esas localidades o para desarrollarla de manera agraria.
Para desarrollar este se método se precisa de los siguientes datos:

• Longitud de la cortina de la presa
  
• Nivel de aguas máximas (NAM).
  
• Nivel de aguas normales (NAN).
  
• Cota de corona de la presa.
  
• Volúmenes total, útil y muerto del embalse.
  
• Ubicación de la obra. N; E.

• 1. Se determina el espaciamiento entre secciones a partir de la cortina de la presa. Se trata de escoger una distancia entre secciones en equidad, ejemplo (5000 m), habrá secciones que por características propias tendrán un espaciamiento diferente, debido proximidad de un pueblo, características topográficas de la zona etc.
  
• 2. Se debe conocer en las secciones determinadas y en el trayecto del río, las características del cauce y de las laderas para determinar con certeza los coeficientes de fricción de los mismos.

Es muy importante escoger los coeficientes de fricción lo más cercano a la realidad, pues depende de estos, que los resultados de tiempo
Proceso de cálculo
Para calcular el gasto máximo que puede ser vertido durante la rotura se utiliza la expresión de Shorlich:

Donde:Qn: gasto máximo de vertidob: longitud de la parte destruidaB: longitud de la presa en el nivel que se está considerandoH: Carga hidráulica
Cálculo del gasto que llega a cada sección Fórmula:

Donde:Q gasto calculado para la sección.Qn gasto máximo de rotura. W0 volumen en el embalse para el nivel de cálculo.L distancia desde la presa hasta la sección.T parámetro que depende del tamaño del río.
Cálculo de la curva de gasto en la sección, fórmula de Chezy:

Donde:-A área de la sección-C coeficiente de Chezy-R radio hidráulico-i pendiente hidráulica, se considera como la pendiente de fondo del río

Donde:M: depende de las características del cauce del río y fuera del cauce.
Tiempo de retardo. (Método de Alexeiev)Tr = 16,67 L / V (min)
Donde:-L longitud del río hasta la sección

El anterior proceso de cálculo arroja como resultado las siguientes Tablas.

Con esta metodología se obtiene en cada sección aguas abajo del embalse las cotas o niveles alcanzados por la inundación y el tiempo que demora en llegar el volumen de inundación a cada una de ellas.

Ejemplo de un caso específico de cálculo de rotura en una presa de tierra

El resultado, expuesto en las tablas que se brindan a continuación, como ejemplo de cálculo de rotura de presa de tierra, en la provincia Villa Clara, Cuba, se corresponde a la Presa "Palmarito".

Las tablas antes presentadas se corresponden a un cálculo de roturas desarrollado por ingenieros del INRH.VC en el año 2003.