El puente de arco
Después de más de 2.000 años de uso arquitectónico, el arco sigue ocupando un lugar destacado en los diseños de puentes y con razón: su estructura semicircular distribuye elegantemente la compresión a través de toda su forma y desvía el peso hacia sus dos estribos, los componentes del puente que soportan directamente la presión.
La fuerza de tensión en los puentes de arco, en cambio, es prácticamente insignificante. La curva natural del arco y su capacidad para disipar la fuerza hacia el exterior reducen en gran medida los efectos de la tensión en la parte inferior del arco.
Pero al igual que ocurre con las vigas y las cerchas, ni siquiera el poderoso arco puede dejar de lado la física para siempre. Cuanto mayor sea el grado de curvatura (cuanto mayor sea el semicírculo del arco), mayores serán los efectos de la tensión en la parte inferior del puente. Si se construye un arco lo suficientemente grande, la tensión acabará superando la fuerza natural de la estructura de soporte.
Aunque hay una gran variedad cosmética en la construcción de puentes de arco, la estructura básica no cambia. Existen, por ejemplo, arcos romanos, barrocos y renacentistas, todos ellos arquitectónicamente diferentes pero estructuralmente iguales.
Es el propio arco el que da fuerza a su puente homónimo. De hecho, un arco hecho de piedra ni siquiera necesita mortero. Los antiguos romanos construyeron puentes de arco y acueductos que siguen en pie hoy en día. Sin embargo, lo difícil es construir el arco, ya que las dos partes convergentes de la estructura no tienen integridad estructural hasta que se unen en el centro. Por ello, suelen necesitarse andamios o sistemas de apoyo adicionales.
Los materiales modernos, como el acero y el hormigón pretensado, nos permiten construir arcos mucho más grandes que los de los antiguos romanos. Los arcos modernos suelen abarcar entre 61 y 244 metros, pero el puente New River Gorge de Virginia Occidental mide unos impresionantes 518 metros.
El puente colgante
Como su nombre indica, los puentes colgantes, al igual que el Golden Gate o el puente de Brooklyn, suspenden la calzada mediante cables, cuerdas o cadenas desde dos altas torres. Estas torres soportan la mayor parte del peso, ya que la compresión empuja hacia abajo el tablero del puente colgante y luego sube por los cables, cuerdas o cadenas para transferir la compresión a las torres. Las torres disipan entonces la compresión directamente en la tierra.
Los cables de soporte, por otro lado, reciben las fuerzas de tensión del puente. Estos cables discurren horizontalmente entre los dos anclajes lejanos. Los anclajes de los puentes son esencialmente rocas sólidas o bloques de hormigón macizo en los que el puente está cimentado. La fuerza de tensión pasa a los anclajes y al suelo.
Además de los cables, casi todos los puentes colgantes cuentan con un sistema de cerchas de soporte bajo el tablero del puente llamado cercha del tablero. Esto ayuda a dar rigidez al tablero y a reducir la tendencia de la calzada a balancearse y ondularse.
Los puentes colgantes pueden cruzar fácilmente distancias de entre 610 y 2.134 metros, lo que les permite abarcar distancias que van más allá del alcance de otros diseños de puentes. Sin embargo, dada la complejidad de su diseño y los materiales necesarios para construirlos, suelen ser también la opción de puente más costosa.
Pero no todos los puentes colgantes son una maravilla de la ingeniería del acero moderno. De hecho, los más antiguos estaban hechos de hierba retorcida. Cuando los conquistadores españoles se adentraron en Perú en 1532, descubrieron un imperio incaico conectado por cientos de puentes colgantes, que alcanzaban luces de más de 46 metros a través de profundos desfiladeros de montaña. Europa, en cambio, no vería su primer puente colgante hasta casi 300 años después
Por supuesto, los puentes colgantes hechos de hierba retorcida no duran tanto, ya que es necesario reemplazarlos continuamente para garantizar un viaje seguro a través del hueco. Hoy en día, sólo queda un puente de este tipo, que mide 27 metros en los Andes.
Puente atirantado
A primera vista, el puente atirantado puede parecer sólo una variante del puente colgante, pero no hay que dejarse engañar por sus torres similares y sus calzadas colgantes. Los puentes atirantados se diferencian de sus predecesores colgantes en que no necesitan anclajes ni dos torres. En su lugar, los cables van desde la calzada hasta una única torre que es la única que soporta el peso.
La torre de un puente atirantado se encarga de absorber y hacer frente a las fuerzas de compresión. Los cables se unen a la calzada de varias maneras. Por ejemplo, en un patrón radial, los cables se extienden desde varios puntos de la carretera hasta un único punto en la torre, como numerosos sedales unidos a un único poste. En un patrón paralelo, los cables se unen tanto a la calzada como a la torre en varios puntos separados.
Los ingenieros construyeron los primeros puentes atirantados en Europa tras el final de la Segunda Guerra Mundial, pero el diseño básico se remonta al siglo XVI y al inventor croata Faust Vrancic. Coetáneo de los astrónomos Tycho Brache y Johannes Kepler, Vrancic realizó el primer boceto conocido de un puente atirantado en su libro «Machinae Novae»
Hoy en día, los puentes atirantados son una opción muy popular, ya que ofrecen todas las ventajas de un puente colgante, pero a un coste menor para vanos de 500 a 2.800 pies (152 a 853 metros). Requieren menos cables de acero, son más rápidos de construir e incorporan más secciones de hormigón prefabricado.
Sin embargo, no todos los puentes requieren grandes trozos de acero y hormigón. A veces, una o dos raíces de árbol son suficientes.
Los puentes vivientes
Aunque los primeros puentes probablemente no eran más que troncos derribados sobre arroyos, la mayor parte del legado de la humanidad en materia de construcción de puentes es una historia de estructuras artificiales elaboradas a partir de los elementos. Sin embargo, podemos encontrar una de las excepciones más sorprendentes a esta regla en la región de Meghalaya, en el norte de la India.
Durante la estación de los monzones, los habitantes de esta zona soportan algunas de las condiciones más húmedas de la Tierra, y la crecida de las aguas corta la tierra en fragmentos aislados. Si se construye un puente de lianas tejidas o tablas talladas, la humedad de la selva tropical lo convertirá inevitablemente en abono. Como se puede ver en la foto, los lugareños desarrollaron una solución bastante elegante para el problema: cultivan sus puentes con vegetación natural. De este modo, transfieren una gran parte de las tareas de mantenimiento del puente al propio puente.
Construir un puente vivo requiere paciencia, por supuesto. Los lugareños planifican sus construcciones con una década o más de antelación. El pueblo de War-Khasis, por ejemplo, crea sistemas de guía de raíces a partir de las mitades huecas de viejos troncos de betel para dirigir las raíces de los higos estranguladores en la dirección deseada. Simplemente dirigen las raíces sobre un arroyo o río, atravesándolo, y sólo permiten que las raíces se hundan en la tierra de la orilla opuesta. Los puentes vivos más grandes tienen una longitud de hasta 30 metros, pueden soportar el peso de 50 personas y pueden durar más de 500 años
Hasta ahora, hemos tocado las dos fuerzas más importantes en el diseño de puentes: compresión y tensión. Sin embargo, docenas de fuerzas adicionales también afectan al funcionamiento de los puentes. Estas fuerzas suelen ser específicas de un lugar o diseño concreto.
La torsión, por ejemplo, es una preocupación especial para los ingenieros que diseñan puentes colgantes. Se produce cuando el viento fuerte hace que la calzada suspendida gire y se retuerza como una ola rodante. Como veremos en la página siguiente, el puente Tacoma Narrows de Washington sufrió daños por la torsión, que a su vez fue causada por otra poderosa fuerza física
La forma natural de los puentes de arco y la estructura de celosía de los puentes de vigas los protege de esta fuerza. Los ingenieros de puentes colgantes, en cambio, han recurrido a cerchas con rigidez en el tablero que, como en el caso de los puentes de vigas, eliminan eficazmente los efectos de la torsión.
En los puentes colgantes de longitud extrema, sin embargo, la cercha del tablero no es suficiente protección. Los ingenieros realizan pruebas de túnel de viento en modelos para determinar la resistencia del puente a los movimientos de torsión. Con estos datos, emplean estructuras de celosía aerodinámicas y cables de suspensión diagonales para mitigar los efectos de la torsión.
Corte: El esfuerzo cortante se produce cuando dos estructuras sujetas (o dos partes de una misma estructura) son forzadas en direcciones opuestas. Si no se controla, la fuerza de cizallamiento puede partir literalmente los materiales del puente por la mitad. Un ejemplo sencillo de fuerza cortante sería clavar una estaca larga hasta la mitad del suelo y luego aplicar una fuerza lateral contra el lado de la parte superior de la estaca. Con una presión suficiente, se podría partir la estaca por la mitad. Esta es la fuerza de cizallamiento en acción.
Más fuerzas del puente: Resonancia
Puedes pensar en la resonancia como la equivalencia vibratoria de una bola de nieve que rueda por una colina y se convierte en una avalancha. Comienza como un estímulo periódico relativamente pequeño de un sistema mecánico, como el viento que golpea un puente. Estas vibraciones, sin embargo, están más o menos en armonía con las vibraciones naturales del puente. Si no se controla, la vibración puede aumentar drásticamente, enviando vibraciones destructivas y resonantes que viajan a través de un puente en forma de ondas de torsión.
El ejemplo más notable de resonancia ocurrió en 1940, cuando las vibraciones resonantes destruyeron el puente Tacoma Narrows en Washington. El incidente fue especialmente impactante en su momento, ya que la estructura estaba diseñada para soportar vientos de hasta 120 millas (193 kilómetros) por hora y se derrumbó con un viento de apenas 40 millas (64 kilómetros).
Un examen minucioso de la situación sugirió que la armadura de refuerzo del tablero del puente era insuficiente para el tramo, pero esto por sí solo no podía derribar una estructura así. Resultó que ese día el viento tenía la velocidad justa y golpeaba el puente en el ángulo adecuado para desencadenar la vibración mortal. Los vientos continuos aumentaron las vibraciones hasta que las olas se hicieron tan grandes y violentas que rompieron el puente. El efecto es similar al de una cantante que rompe un vaso con su voz.
Sin embargo, el viento no es la única amenaza potencial. Cuando un ejército marcha por un puente, los soldados suelen «romper el paso» para que su rítmica marcha no empiece a resonar por todo el puente. Un ejército suficientemente grande marchando con la cadencia adecuada podría poner en marcha la vibración mortal.
Para mitigar totalmente el efecto de resonancia en un puente, los ingenieros incorporan amortiguadores en el diseño del puente para interrumpir las ondas resonantes y evitar que crezcan.
Otra forma de detener la resonancia es darle menos espacio para que se desborde. Si un puente cuenta con una calzada sólida, entonces una onda resonante puede recorrer fácilmente la longitud del puente y causar estragos. Pero si la calzada de un puente está formada por diferentes secciones con placas superpuestas, entonces el movimiento de una sección simplemente se transfiere a otra a través de las placas, generando fricción. El truco consiste en crear suficiente fricción para cambiar la frecuencia de la onda resonante. Cambiar la frecuencia impide que la onda se forme.
El clima, destructor de puentes
Si bien el viento puede inducir ondas resonantes destructivas, el clima en su conjunto desata una serie de asaltos destructivos en los puentes que construimos. De hecho, el implacable trabajo de la lluvia, el hielo, el viento y la sal derribará inevitablemente cualquier puente que los humanos puedan erigir.
Los diseñadores de puentes han aprendido su oficio estudiando los fracasos del pasado. El hierro ha sustituido a la madera y el acero al hierro. El hormigón pretensado desempeña ahora un papel fundamental en la construcción de puentes de carretera. Cada nuevo material o técnica de diseño se basa en las lecciones del pasado. La torsión, la resonancia y los diseños aerodinámicos deficientes han provocado fallos en los puentes, pero los ingenieros se recuperan continuamente con innovaciones para resolver los problemas de diseño.
El clima, sin embargo, es un adversario paciente e impredecible. Los casos de fallos de puentes relacionados con el clima tienden a superar a los de fallos relacionados con el diseño. Esta tendencia sólo puede sugerir que aún no hemos dado con una solución eficaz. A día de hoy, ningún material de construcción o diseño de puente específico puede eliminar o incluso mitigar estas fuerzas. Al fin y al cabo, estamos hablando de las mismas fuerzas que degradan cordilleras enteras y forjan abismos profundos en la tierra. En comparación, un puente hecho por el hombre no es nada.
Como en el caso de los antiguos puentes colgantes incas, el único elemento disuasorio es el mantenimiento preventivo continuo.
Salte la distancia entre esta página y la siguiente para saber aún más sobre los puentes.
Fuentes
- Blockley, David. «Puentes» Oxford University Press. 2010.
- «Build a Bridge». NOVA. Octubre de 2000. (17 de mayo de 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. «El último puente de hierba inca». Slate. 22 de febrero de 2011. (17 de mayo de 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. «Puentes vivos en la India han crecido durante 500 años». TreeHugger.com. 28 de septiembre de 2010. (17 de mayo de 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- «Ríos». Human Planet Explorer. 2011 (17 de mayo de 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. «Cómo los incas saltaron cañones». New York Times. 8 de mayo de 2007. (17 de mayo de 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html