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Aug 03, 2023

Puentes

El puente que lleva la M4 sobre el río Usk en Newport, Gales del Sur, no tiene nada de especial a primera vista, pero no se puede decir lo mismo de los trabajos que se están llevando a cabo para repararlo. El puente tiene 143 m de largo.

El puente que lleva la M4 sobre el río Usk en Newport, Gales del Sur, no tiene nada de especial a primera vista, pero no se puede decir lo mismo de los trabajos que se están llevando a cabo para repararlo.

El puente es una estructura de hormigón armado de cinco tramos de 143 m de largo. Construido en la década de 1960, su aspecto es típico de la época, lo que contradice su papel como uno de los puentes más importantes de Gales.

El puente se encuentra en la principal ruta arterial hacia Cardiff en la autopista M4; cerrarlo por cualquier período de tiempo sería un suicidio político y crearía estragos indecibles en la red de carreteras locales circundantes.

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El puente de dos pisos cruza el río Usk

Entonces, cuando se descubrió que se estaban desarrollando problemas con su estructura, se necesitó un pensamiento innovador por parte de los consultores WSP y el contratista principal Costain mientras buscaban encontrar una manera de detener el daño.

El problema residía en las bisagras de empuje del puente, un producto patentado diseñado por el consultor Sir Owen Williams & Partners. Las uniones se colocaron en puntos de contraflexión, puntos donde no hay momentos. Las juntas fueron diseñadas para permitir que la plataforma se doble y flexione mientras soporta empuje y corte.

Para ello, cuando se construyó el puente, se cortaron ranuras de 40 mm de ancho y 430 mm de profundidad en la parte superior e inferior de la plataforma, dejando una fina tira de hormigón de 430 mm de espesor en el medio. Para soportar el corte y el empuje, esta tira se reforzó con barras de tijera de 32 mm de diámetro: dos pares de seis, a lo largo de la junta (tres arriba, tres abajo) con tres barras rectas horizontales que atraviesan el centro. En teoría, cuando la plataforma se hundía y se hundía, el movimiento se acomodaría en el espacio.

Pero debido a una mala construcción, la ranura no era lo suficientemente ancha en algunos lugares y, a medida que la plataforma se flexionaba, el concreto en la parte superior e inferior fue aplastado por la fuerza de compresión de los dos lados al unirse. Esto a su vez delaminaba el hormigón en el plano de la armadura.

A medida que la plataforma se flexionaba, el concreto en la parte superior e inferior fue aplastado por la fuerza de compresión de los dos lados que se unían.

La exposición resultante de este refuerzo no sólo lo dejó expuesto a los elementos y a la degradación, sino que, lo que es más importante, significó que el concreto no lo mantenía firmemente en su lugar, lo que lo dejaba susceptible a arrancarse y hacer que la junta fallara en el futuro. .

Ingenieros de WSP llevaron a cabo un análisis de sensibilidad sobre la longitud de la unión de anclaje requerida. Identificó que, en el peor de los casos, la capacidad de las vigas de soporte de la plataforma ahusadas que se extienden entre los pilares caía rápidamente después de alcanzar una longitud crítica.

"En el análisis, analizamos lo que sucede cuando se pierde la cobertura o el anclaje de esa barra de refuerzo", dice Richard Owen, ingeniero senior de WSP en ingeniería civil, estructural y terrestre. “Descubrimos que habría una falla por corte en la parte posterior del detalle de la bisagra de empuje debido a esa pérdida de anclaje.

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Nuevo bloque de anclaje in situ y colgadores para tendones

"Esencialmente, aunque la bisagra de empuje es fuerte en sí misma y el refuerzo de la viga es bastante fuerte, lo que nos preocupa es la interfaz entre los dos".

Como aún no se había alcanzado este umbral, el gobierno galés decidió tomar medidas para evitar un futuro colapso del puente.

Pero la reparación de las articulaciones planteó toda una nueva serie de desafíos.

Parte del problema surgió de la forma única del puente. Hay alrededor de 100 puentes de bisagra empujada en Inglaterra y 15 en Gales y la plataforma de estas estructuras se formó a partir de una losa plana, con el refuerzo para las juntas distribuido uniformemente a lo ancho. En este caso, la losa del tablero se extiende entre vigas cónicas que se extienden entre los pilares, por lo que las bisagras se restringieron a los anchos de las vigas.

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Imagen generada por computadora de refuerzo de bisagra

Para reparar adecuadamente la junta del puente de Usk, fue necesario retirar y reinstalar el hormigón que rodeaba la zona dañada, pero esto habría comprometido la resistencia de la junta y, sin soporte adicional, habría provocado el colapso del puente.

Con dos líneas de bisagra en el tramo central y una en cada uno de los tramos segundo y cuarto, se tuvo que superar el desafío de acceder a la parte inferior del puente para realizar las reparaciones, manteniendo el puente abierto.

Normalmente, el trabajo de reparar las vigas habría sido relativamente sencillo. Se podría construir una serie de puntales temporales desde el suelo para proporcionar un soporte alternativo a la plataforma, luego se podrían reparar los daños en las juntas.

Pero esto no fue posible en el puente de Usk, ya que cruza un Sitio de Especial Interés Científico (SEIC) protegido. Se consideró que construir puntales en el río era demasiado peligroso e intrusivo. El equipo tuvo que encontrar otro método de reparación.

Con la complicación añadida de la urgencia del trabajo, se descartaron los plazos de diseño convencionales. Se formó un grupo de trabajo compuesto por el gobierno de Gales y un equipo de ingenieros estructurales del WSP para examinar la viabilidad de las diversas soluciones técnicas. Durante todo el proceso, el consultor Atkins realizó las comprobaciones reglamentarias del diseño.

Al equipo se le ocurrió un plan para postensar el puente para aplicar una compresión adicional a las vigas y aumentar la capacidad de las juntas mientras se realizaban los trabajos para repararlas.

“¿Cómo reparamos la viga sin apuntalarla?” pregunta Owen. “¿Cómo mejoramos la capacidad de las vigas en las bisagras y también aumentamos la resistencia al corte?

Observamos cómo las fuerzas de los anclajes afectarían la estructura a medida que introducíamos fuerzas tremendas en áreas localizadas y cómo estas se disiparían en la plataforma y la losa.

Richard Owen

“Podríamos lograrlo si hacemos que el componente de puntal y tirante de esa [la unión] sea mucho menos profundo, de modo que reduzcamos la importancia crítica de la longitud de la barra de refuerzo. Eso nos permitirá adoptar el método tradicional de remoción y reparación de concreto.

"La única manera de hacerlo era introducir un postensado externo".

Pero con esta solución surgió otra serie de cuestiones que era necesario tener en cuenta. En ese momento se sumó el especialista francés Freyssinet.

El primer problema fue que el postensado podría potencialmente pandear la estructura. "Sin embargo, después de analizar varios modos decidimos que eso no era un problema", dice Owen. “Luego observamos el límite superior de la tensión de compresión sobre la bisagra y si la aplastaríamos o reventaríamos.

"Luego observamos cómo las fuerzas de los anclajes afectarían la estructura a medida que introducíamos fuerzas tremendas en áreas localizadas y cómo se disiparían en la plataforma y la losa".

Lo que hemos elegido es mantener todo interno, que sea invisible para las elevaciones externas, que esté alejado del clima y fuera del camino del envío.

Richard Owen

Se descartó la colocación de los tendones localmente alrededor de las juntas debido al número de puntos de anclaje que sería necesario construir, así como al riesgo de aplicar tensiones no deseadas a las vigas debido a la rigidez de los pilares.

Por lo tanto, el equipo decidió colocar los tendones de postensado a lo largo de casi toda la longitud del puente, desde el pilar uno hasta el pilar cuatro. Se están pasando pares de cables en los tres espacios creados entre las vigas ahusadas en la parte inferior del puente. La necesidad de tendones en el exterior de la estructura se evitó poniendo una fuerza mayor en el par en los espacios exteriores (390t) que en el espacio medio (240t).

“Si los pusiéramos en el exterior [borde de la estructura] habríamos tenido que construir unas ménsulas en la cara externa y luego para obtener el anclaje de las ménsulas, probablemente habría que postear transversalmente a través de la viga lo que "Ha sido una solución de diseño completamente nueva", dice Owen.

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"Lo que hemos elegido es mantener todo interno, que sea invisible para las elevaciones externas, que esté alejado del clima y fuera del camino del envío".

Hubo que romper áreas de hormigón alrededor de los nuevos bloques de anclaje y colocar nuevos refuerzos en la estructura para garantizar que fuera lo suficientemente fuerte como para soportar las fuerzas requeridas.

La secuencia para realizar el tensado de los cables se complicó aún más por el hecho de que las calzadas este y oeste son dos superestructuras separadas pero están sostenidas por la misma subestructura. Por lo tanto, si un lado se tensara antes que el otro, se habrían inducido fuerzas de torsión que provocarían una posible falla de la plataforma.

Pero antes de que los tendones pudieran tensarse, el equipo chocó con otro obstáculo.

El problema es que estamos poniendo postensado a una pulgada de su vida útil sin reventarlo.

Richard Owen

Una junta de dilatación entre el tablero del puente y el tablero sostenido por el viaducto de acceso tampoco fue suficiente para absorber los movimientos térmicos del puente. Hasta este punto la compresión adicional inducida en el puente por el contacto entre los dos tableros había beneficiado a la estructura teniendo el mismo efecto que el postensado. Pero con la fuerza adicional del postensado, el hormigón de la junta podría haberse aplastado.

"Algunos de los trabajos de seguimiento que hicimos hace unos años nos ilustraron que la estructura deja de moverse libremente a determinadas temperaturas", dice Owen.

“El problema es que estamos poniendo postensado a una pulgada de su vida útil sin reventarlo. Luego llega el verano glorioso que siempre tenemos, las temperaturas aumentan y la estructura se bloquea y se introduce esta compresión longitudinal adicional en la plataforma y de repente explota”.

La tarea de ampliar la junta de dilatación era un trabajo en sí mismo. Debido a que el refuerzo parecía haber sido colocado demasiado cerca del borde de la plataforma, fue necesario cortarlo y doblarlo hacia atrás para crear un nuevo borde. Pero para conseguir suficiente apoyo para poder doblarlo, hubo que cortar 250 mm de hormigón del extremo, dejando un gran agujero en la calzada de arriba.

"Al desglosar todo esto, hay un gran agujero en la M4", dice Owen. “Freyssinet ha puesto en práctica algunas ideas inteligentes para evitar obras temporales muy costosas que, de otro modo, perturbarían el tráfico”.

El uso de hidrodemolición para los trabajos de ruptura significó que los contratistas se limitaran a realizar trabajos nocturnos únicamente. Este programa para cortar el concreto y restablecer la junta agregó otra capa de complejidad al trabajo que ya era técnicamente desafiante.

El siguiente reto fue el acceso a la parte inferior del puente para realizar las obras. El equipo planeó suspender los andamios de acceso desde el puente, pero el análisis del puente mostró que no había capacidad de carga adicional para las obras. Lo que es más preocupante para el gobierno galés es que también demostró que técnicamente el puente era incapaz de transportar las cargas de vehículos más pesadas.

Nuevamente el equipo tuvo que volver a los primeros principios y demostrar que los factores de seguridad y los factores aplicados a los materiales podían reducirse y, por tanto, liberar más capacidad de carga.

Utilizando un análisis de amplificación dinámica que analizó la respuesta de la estructura bajo casos de carga móviles particulares, WSP demostró que el factor de carga se podía reducir. Para demostrar que los factores materiales podían reducirse, WSP tomó muestras de núcleos y midió su propio peso y resistencia a la compresión. También llevó a cabo un estudio exhaustivo de las dimensiones del puente para garantizar que los elementos no diferían significativamente de los utilizados en el análisis. Además de esto, el equipo llevó a cabo un análisis estadístico para demostrar que el conjunto de muestras era sólido y confiable.

vista nocturna de la cubierta del río usk 1

El trabajo tuvo que realizarse de noche.

El arduo trabajo dio sus frutos y el equipo pudo demostrar que el factor se podía reducir de 1,15 a 1,05, liberando suficiente capacidad para las cargas más pesadas de las carreteras y con suficiente sobrante para colgar un sistema de andamios.

A pesar de la capacidad adicional, los límites de la estructura seguían siendo extremadamente estrictos. WSP diseñó el sistema de andamios para que tuviera diferentes zonas con estrictas restricciones de peso separadas.

"La evaluación que se llevó a cabo requirió un plan de gestión estricto", dice Owen. “El andamio se instala en zonas cuidadosamente controladas. Algunos son sólo para personal y luego hay otros que están directamente sobre los muelles, de modo que la ruta de carga no pasa por la superestructura y los materiales se pueden almacenar allí”.

Una vez realizadas las reparaciones del hormigón debajo de las juntas, el equipo tuvo que asegurarse de que las juntas volvieran a su diseño original. A pesar de que ahora se ha abierto la ranura que recorre el ancho de la calzada en la parte superior e inferior de la plataforma, aún no se han podido instalar selladores flexibles para impedir la entrada de agua en la junta.

"Cuando se construyó la plataforma, se había puesto poco esfuerzo en mantener el espacio recto, liso o vertical", dice Owen. “Nos gustaría tener una junta enterrada, pero no toleran curvas ni diferencias de nivel. Necesitas un bonito borde cuadrado.

"Por lo tanto, tenemos que reconstruirlo con una calidad aceptable".

Sin oportunidades para cerrar el puente durante las horas del día y sin permitir el contraflujo debido a la proximidad del túnel Brynglas inmediatamente al oeste del puente, todo el trabajo sobre la plataforma tuvo que realizarse durante los cierres nocturnos de 8 p. m. a 6 a. m.

Se están aplicando límites estrictos y una estricta supervisión a la construcción de la nueva ranura para garantizar que no se repitan los errores del trabajo de construcción original. Estaba previsto que los trabajos se llevaran a cabo junto con otros trabajos planificados en los túneles adyacentes de Brynglas. Allí, Costain, en asociación con Capita, se encuentra en medio de un importante programa de dos años para actualizar los sistemas mecánicos y eléctricos. Este trabajo finalizará en enero de 2018. N