Alberto Patrón Solares Doctor en Ingeniería con especialidad en Estructuras. Ha trabajado en el diseño y supervisión de la construcción de puentes. Director general y socio fundador de la empresa Consultora Mexicana de Ingeniería, S.A. de C.V.
Ernesto Morales Franco Maestro en Ingeniería con especialidad en Estructuras.
En el número 601 de esta revista se expusieron los principales aspectos del diseño y la construcción de la reciente obra de ingeniería vial ubicada en el sureste de nuestro país. En esta ocasión se abordan los aspectos sísmicos. Dada la importancia de la estructura, se realizó un estudio de riesgo específico del sitio, tomando en cuenta las diferentes fuentes sismogénicas que afectan esta zona del país y las características geológico-geofísicas locales. De igual manera, se modeló la respuesta no lineal de la estructura durante movimientos sísmicos importantes. Tales consideraciones permitieron optimizar el diseño del puente, para garantizar los márgenes de seguridad conforme a la normativa nacional e internacional.
El Nuevo Puente La Unidad está ubicado en la entrada de la Laguna de Términos, en el sureste del Golfo de México en el estado de Campeche. El nuevo puente es paralelo al que existía, y está localizado a 15.5 m de éste. Tiene una longitud total de 3,285 m y atraviesa el mar con alturas de agua comprendidas entre 4 y 15 metros.
El diseño y la construcción de este puente tuvieron diversos desafíos: en el sitio se presentan riesgos de huracanes y nortes; por otro lado, existe una amplificación de la respuesta sísmica del puente debida a efectos de sitio, siendo esta acción la que rigió el diseño de la subestructura. En este artículo se presentan los principales aspectos del diseño sísmico de esta destacada obra.
La superestructura del puente cuenta con 73 claros de 45 m cada uno. El tablero tiene un ancho de 14 m, con dos carriles de circulación de 3.5 m cada uno, acotamientos, guarnición y parapeto. Dicho tablero está formado por seis vigas “I” tipo Nebraska de concreto pretensado, de 2.2 m de peralte. Sobre las vigas se apoya la losa de rodamiento de concreto de 22 cm de espesor. La subestructura cuenta con 74 apoyos, y está formada por tres tipos diferentes de ellos, cuya forma depende de su localización a lo largo del cruce (véase figura 2).
Los apoyos tipo “I” son los más comunes (50 elementos), y consisten en siete pilotes tubulares de acero de 1.2 m de diámetro, hincados a golpe y rellenos de concreto en su parte superior. Sobre estos pilotes descansa un cabezal de concreto reforzado.
Los apoyos tipo “II” corresponden a la zona del canal de navegación bajo el puente (19 apoyos), y están formados por 10 pilotes tubulares de acero de 1.2 m
de diámetro hincados a golpe y rellenos parcialmente de concreto reforzado. Sobre los pilotes se apoya una zapata de concreto reforzado que sirve de sustento a columnas y un cabezal de concreto, igualmente de concreto reforzado.
Los apoyos tipo “III” son los más altos (tres elementos), y corresponden al área del canal de llenado/vaciado de la Laguna de Términos. Esta zona se caracteriza por la presencia diaria de corrientes marinas de alta velocidad, debido a las mareas, y es particularmente sensible al fenómeno de socavación. Las pilas están formadas por ocho pilotes tubulares de acero de 1.5 m de diámetro. Dada la gran altura de estas pilas, y con el fin de mejorar su comportamiento estructural, su forma es tipo “A”, y los pilotes están inclinados en la dirección longitudinal. Estos pilotes son igualmente hincados a golpe y rellenos con concreto reforzado en su parte superior. Un cabezal de concreto reforzado se apoya directamente sobre los pilotes.
La profundidad de desplante de los pilotes en todos los apoyos fue de aproximadamente 25 m por debajo del lecho marino, y descansan sobre estratos conformados principalmente por arcillas arenosas.
El tablero del puente está restringido lateramente en los cabezales de las pilas mediante topes sísmicos de concreto reforzado.
Exploración geotécnica
La exploración geotécnica del sitio se llevó a cabo a través de 17 sondeos de penetración estándar y muestreo inalterado selectivo a lo largo del eje del trazo del nuevo puente. La separación promedio entre los sondeos fue de 253 m, y casi todos fueron llevados hasta alcanzar una capa resistente uniforme a profundidades variables de entre 35 y 48 metros.
En términos generales, la estratigrafía del cruce está constituida por depósitos superficiales de arena limosa muy suelta y arcilla de alta compresibilidad con materia orgánica y conchas de consistencia blanda a firme, espesor variable entre 1.20 y 9.0 m; subyace arcilla de consistencia firme a dura con intercalación de limo arenoso medianamente compacto, así como arena limosa o arcillosa de medianamente compacta a muy compacta.
Como resultado de la campaña de exploración geotécnica y geofísica (la cual se comenta más adelante), el sitio del cruce se dividió en cinco “zonas geotécnicas” diferentes, dentro de las cuales las características del suelo se consideraron homogéneas, y permitieron profundidades de desplante similares para los pilotes de cimentación.
Estudio de riesgo sísmico
Dada la importancia de la estructura, se decidió realizar un estudio de riesgo sísmico específico del sitio del puente, tomando en cuenta las diferentes fuentes sismogénicas que afectan esta zona del país y las características geológico-geofísicas locales del sitio.
• Para estimar los efectos de sitio se realizaron los siguientes trabajos:
• Mediciones de vibración ambiental del terreno en 14 puntos distribuidos de forma estratégica.
Estudios geofísicos de campo que consistieron en el levantamiento de perfiles sísmicos a partir de ambas márgenes del cruce.
Estos trabajos permitieron obtener parámetros muy importantes del sitio, como el periodo fundamental de vibrar del suelo y el incremento o amplificación del movimiento sísmico que se puede presentar en el sitio para dicho periodo fundamental.
De acuerdo con los resultados obtenidos, el suelo del sitio muestra variaciones importantes en cuanto a la frecuencia fundamental de vibración; se distinguen dos zonas principales, una que corresponde a la parte central de la boca de la laguna y otra que corresponde a ambas márgenes del cruce. Lo anterior permitió definir dos diferentes espectros de diseño: uno para la parte central del puente (donde el suelo es “blando”), y otro para las márgenes donde el suelo es “rígido”. Los espectros de diseño se calcularon para periodos de retorno de 500 y 2,500 años, y considerando un amortiguamiento de 5 por ciento. Este estudio de sitio permitió una reducción significativa de los coeficientes sísmicos en relación con los previstos por la normativa de la SCT (véase figura 3).
Diseño sísmico de la estructura
La acción que rigió el diseño de la subestructura del puente fue el sismo, y con el fin de optimizar este diseño se realizó una serie de cálculos particulares.
Se elaboraron modelos de elemento finito de diferentes zonas del puente. La definición de los diferentes modelos fue hecha tomando en cuenta los diferentes tipos de pilas y las condiciones del suelo (y espectros de diseño sísmico) a lo largo del puente. La interacción suelo-estructura se tomó en cuenta mediante la incorporación de resortes que representan las diferentes capas de suelo que atraviesan los pilotes de cimentación.
Un diseño preliminar de las pilas de cimentación fue realizado usando el método modal-espectral tradicional, pero los resultados de estos cálculos fueron muy conservadores. Estos cálculos permitieron observar la aparición de zonas propensas a formación de articulaciones plásticas, principalmente en la conexión de los pilotes con el cabezal y las zapatas.
Con el fin de optimizar el diseño de los pilotes de cimentación del puente, se realizaron cálculos temporales paso a paso no lineales para evaluar las fuerzas sísmicas en estos elementos.
Por este motivo, se generaron grupos de acelerogramas “sintéticos” (cinco) a partir de los diferentes espectros de diseño obtenidos. La validez de estos acelerogramas se verificó mediante la obtención de espectros de respuesta a partir de éstos y su comparación con el espectro de diseño objetivo.
Mediante estos acelerogramas se evaluó la respuesta de la estructura ante un movimiento sísmico importante. En los cálculos no lineales se tomó en cuenta la aparición de articulaciones plásticas en las zonas de conexión entre los pilotes y los cabezales. Lo anterior, mediante el cálculo de los diagramas momento curvatura de las secciones de concreto reforzado de los pilotes en zona de conexión con el cabezal. Estos diagramas permitieron modelar las articulaciones plásticas en esta zona y la disipación de energía que se produce en ellas durante sismos de gran magnitud, gracias a su comportamiento histerético.
Los cálculos no lineales realizados pusieron en evidencia una reducción importante (de más del 50%) en las solicitaciones de la estructura (momentos flexionantes y fuerzas cortantes) comparadas con las obtenidas por el método modal-espectral tradicional. Esta reducción también se confirmó en el nivel de las cargas axiales en la punta de los pilotes. En la figura 7 se muestra el ciclo histerético producido en una de las articulaciones plásticas, que permite una importante disipación de energía inducida por el sismo.
El diseño final de los apoyos del puente se realizó tomado en cuenta los resultados de los cálculos previamente descritos, haciendo especial énfasis en las zonas sensibles a la formación de articulaciones plásticas (conexión pilotes-cabezal o zapata). El diseño de estas zonas consideró un confinamiento adecuado del concreto de los pilotes mediante estribos circulares cerrados con espaciamientos mínimos entre ellos, y el anclaje adecuado de los armados longitudinales de los pilotes dentro de los cabezales o zapatas. Los trabajos de supervisión de obra durante la construcción fueron particularmente estrictos en estas zonas.
Conclusiones
El Nuevo Puente La Unidad es una obra destacada de infraestructura que presentó grandes retos durante su diseño y construcción. El sismo fue la acción dominante en el diseño de su subestructura, y para tal fin se realizó un estudio de riesgo sísmico específico del sitio que incluyó la medición de los periodos de vibración del suelo y la caracterización geofísica del sitio. Como resultado de este estudio se definieron dos espectros de diseño para el cruce: uno para las márgenes y otro para la parte central.
Por otro lado, se realizaron cálculos numéricos de la respuesta no lineal de la estructura, que tomaron en cuenta la disipación de la energía inducida en el puente por sismos severos en zonas de posible formación de articulaciones plásticas. Dichas zonas fueron adecuadamente diseñas y supervisadas durante la construcción.
Las consideraciones anteriores permitieron optimizar el diseño del puente para garantizar los márgenes de seguridad conforme a la normativa nacional e internacional.
Es importante señalar que el sismo de magnitud 8.2 ocurrido el 7 de septiembre de 2017 con epicentro en el Golfo de Tehuantepec, y que es uno de los mayores sismos registrados en México, generó movimientos muy considerables en todo el sureste de México. En la Isla del Carmen se percibieron movimientos sísmicos importantes. En esa fecha, el Nuevo Puente La Unidad se encontraba en un estado avanzado de construcción. Luego de este evento sísmico se realizó una inspección detallada de la estructura y no se encontró daño.
El Nuevo Puente La Unidad fue inaugurado y puesto en funcionamiento el 10 de junio de 2019.
