La socavación y su relación con el colapso de los puentes

Al contrario de lo que algunos piensan, un puente diseñado según las normas actuales y con un mantenimiento de la propia estructura de acuerdo a los criterios vigentes puede colapsar. Si no se controla la potencial influencia de factores y fenómenos externos sobre el puente, estos pueden comprometer la integridad y estabilidad de los mismos.

Tal y como se expondrá a continuación, ser capaces de identificar, monitorear y determinar la importancia relativa de fenómenos como la socavación sobre un determinado puente juega un papel fundamental de cara a garantizar la seguridad del mismo.


Importancia de la socavación en los fallos de puentes

Se estima que alrededor del 60% de todos los fallos de puentes tienen una causa relacionada con la hidráulica. Entre ellas, la socavación es el principal motivo, constituyendo en términos globales una de las tres causas principales de fallo de los puentes a nivel global.

Algunos ejemplos recientes de fallos de puentes en Europa debidos a la socavación son el puente Sava en Zagreb (Croacia),  el viaducto de Malahide en Dublín (Irlanda) o el colapso del puente Hintze Ribeiro en Entre-os-Ríos (Portugal) donde el número de víctimas ascendió a 59 personas.

 

De izquierda a derecha, imágenes del colapso del viaducto Malahide y del puente Sava (de Prendergast et Al, 2014)

En Estados Unidos, la socavación ha sido identificada como la causa más común de fallo de puentes de carreteras. En el marco de un estudio en el que se analizaron las causas de colapso de más de 500 puentes en el país entre los años 1989 y 2000, se determinó que el 53% de los fallos fueron debidos a la socavación.

En el marco del futuro cambio climático, algunas regiones se enfrentarán a regímenes de precipitaciones cambiantes y extremos junto a la alteración de los patrones de fusión nival. Esto resultará en mayores frecuencias e intensidades de las avenidas, lo que influye directamente en la socavación.

Y es que el aumento de la vulnerabilidad de los puentes frente al cambio climático ya es objeto de numerosos estudios. Este ellos, simulaciones considerando escenarios de cambio climático llevadas a cabo por la Comisión Europea determinó que alrededor del 20% de los puentes en Europa van a presentar riesgos elevados de socavación en los próximos 20 años. Este porcentaje varía de un país a otro y se estima que los riesgos más altos se darán en Austria (60%), Portugal (50%), España (42%) e Italia (39%).


¿Qué es exactamente la socavación y por qué aumenta tanto la vulnerabilidad de los puentes?

La socavación puede definirse como la excavación y transporte de material del lecho y de las orillas de los arroyos como resultado de la acción erosiva del propio flujo de agua. Aunque la socavación parece un concepto simple, toma varias formas diferentes y puede ser desde un fenómeno natural a estar causado por cambios hechos por el hombre en un río.

Aunque cuando se habla de socavación muchos suelen pensar únicamente en el fenómeno que produce el descalce de las pilas de los puentes, la socavación total es en general el resultado de tres componentes diferentes, de cuya combinación resulta el escenario existente: la degradación en el largo plazo del lecho del rio (lo que muchos expertos denominan socavación natural), la socavación por contracción en el puente y la socavación local en los pilares o estribos. Aunque algunos expertos definen otros tipos de socavación adicionales que ocurren en situaciones más específicas, podríamos afirmar que estas tres componentes son las principales:

  • La socavación natural son cambios en la elevación del cauce que tienen lugar en el largo plazo debido generalmente a causas naturales y que puede afectar el tramo del río en el que se encuentra el puente. Los procesos que tienen lugar se denominan agradación y degradación. Mientras que la agradación supone la deposición de material erosionado del cauce o de la cuenca, la degradación supone el descenso o el arrastre del cauce en tramos relativamente largos debido a un déficit en el suministro de sedimentos de aguas arriba, contribuyendo a la socavación total del lecho del río.La socavación natural ocurre generalmente cuando se llevan cabo cambios en los parámetros hidráulicos que rigen la forma del canal, tales como cambios en la velocidad de flujo o cambios en la cantidad de sedimento. Se relaciona con la evolución del cauce y se asocia con la progresión de la socavación y el relleno, en ausencia de obstáculos.
  • La socavación por contracción son descensos del lecho en las inmediaciones del puente. Estos descensos pueden ser uniformes o no uniformes, por lo que la socavación puede ser más profunda en algunas partes de la sección transversal. La socavación por contracción se produce como resultado de la reducción del área de la sección transversal del canal debido a la construcción de estructuras como pilares y estribos de puentes. La reducción del área de la sección transversal del canal en la ubicación de un puente produce un aumento de la velocidad del flujo debido a la contracción (o constricción) a la que se ve sometido, lo que provoca la aparición de esfuerzos cortantes sobre el lecho. El aumento de los esfuerzos de corte puede superar el esfuerzo de corte umbral del lecho del canal y movilizar los sedimentos en toda (o casi toda) la anchura del canal.La socavación por contracción se diferencia de la degradación asociada a la socavación natural en que se produce en las proximidades de la constricción o del puente, puede ser cíclica, y/o estar relacionada con el paso de una avenida.
  • La socavación local es un fenómeno tridimensional complejo que se produce como consecuencia del encuentro del flujo de agua con los pilares y estribos del puente. En el caso de las pilas, se produce una aceleración de un flujo descendente en la cara frontal de las pilas, de forma que se produce un gradiente de presiones. Este gradiente genera una corriente vertical hacia el fondo del cauce, la cual impacta con el lecho, formando una erosión muy localizada (agujero) alrededor de la estructura que pueden ocasionar el hundimiento y/o giro de las mismas.Al producirse dicho agujero, el flujo descendente cambia de dirección, dirigiéndose entonces hacia arriba y adquiriendo, en consecuencia, un movimiento giratorio que da lugar a los vórtices de herradura, que arrastran el material del lecho hacia las zonas colindantes con la pila y hacia aguas abajo. Por tanto, los vórtices en forma de herradura son el resultado del inicio de la socavación y no la causa principal de la socavación. Estos vórtices crecen, tanto en tamaño como en intensidad, a medida que aumenta la profundidad de erosión (aunque crecen a una tasa decreciente), por lo que la corriente vertical hacia el lecho del cauce y, por tanto, la erosión son cada vez mayores. Así, el agujero de socavación va creciendo en esta zona de manera continua, hasta alcanzar una profundidad máxima o de equilibrio.Además, la separación del flujo a los lados del pilar da lugar a vórtices de estela aguas abajo de la pila, los cuales provocan que todos estos sedimentos levantados y transportados se vayan acumulando aguas abajo de la pila.La magnitud de la socavación local dependerá de la forma del cauce y las condiciones de la corriente, y por supuesto, será más grave durante avenidas, es decir, bajo condiciones hidráulicas fuertes (velocidades y calados importantes).

 

Esquema sobre tipos de socavación (de Melville et Al, 2000)

 

A su vez, estos tres tipos de socavación pueden subdividirse en dos grupos:

  1.  Socavación de agua clara. Suele producirse en pilares con caudales relativamente bajos y consiste en la simple retirada del material del lecho mediante el flujo de agua. Aguas arriba de un puente, el agua no transporta cantidades significativas de material del lecho (de ahí el término de agua clara). En el puente, el material del lecho se retira y se transporta, pero no se deposita al mismo tiempo ningún material de la parte superior. Por lo tanto, los agujeros de socavación que se forman permanecen presentes cuando los flujos disminuyen y pueden verse durante la inspección subacuática.
  2. La socavación del lecho vivo es la erosión y deposición continuas de material del lecho durante los períodos de inundación. En el peor de los casos, el lecho bajo la cimentación de un pilar se convertirá en fluido a medida que el material se retira y se reemplaza constantemente. Este tipo de socavación puede ser muy difícil de detectar mediante inspecciones. Cuando se envía a un buceador a inspeccionar el muelle, el flujo se habrá reducido y el lecho se habrá estabilizado a un nivel mucho más alto que el nivel máximo de socavación durante la inundación.


Qué podría evitar este tipo de colapsos

Donde se produce, la socavación plantea graves problemas para la estabilidad de las estructuras de los puentes ya que reduce la rigidez de los sistemas de cimentación y puede hacer que los pilares de los puentes fallen.

La práctica actual para el diseño más crítico dicta que la profundidad de la socavación está determinada por la suma de las profundidades de socavación individuales causadas por los mecanismos mencionados (socavación natural, de contracción y local). Debido a la gran cantidad y variedad de factores que intervienen y la diferente naturaleza de los fenómenos que tienen lugar, poder mitigar o eliminar la socavación, o incluso predecir su aparición o evolución es un proceso realmente complejo para los ingenieros.

En la actualidad, la socavación se intenta combatir de varias maneras, ya que el coste añadido de hacer un puente menos vulnerable a la socavación es pequeño comparado con el coste total que supone su colapso, que puede ser fácilmente de 2 a 10 veces el coste del propio puente si se tiene en cuenta no sólo el coste material o de interrupción del tráfico, si no que el administrador se expone a la potencial pérdida de vidas humanas.

Así, en la etapa de diseño del puente, es posible plantear soluciones tanto hidráulicas como estructurales a la socavación.

Las soluciones hidráulicas implican la prevención de la rápida expansión o contracción del flujo causada por los cambios repentinos inducidos en la dirección del flujo que pueden dar lugar a la aparición de la socavación. Mantener unas aberturas más grandes en el puente y aerodinamizar las geometrías de los pilares son medidas que pueden tomarse en la etapa de diseño. Durante la operación del puente, mantener las aberturas despejadas eliminando los desechos como los árboles caídos y otros objetos que a menudo pueden alojarse en las aberturas de los puentes, obstruyendo el flujo, son algunas de las medidas a adoptar.

Sin embargo, cabe señalar que el mantenimiento de grandes aberturas en los puentes y de los frentes de las pilas aerodinámicas puede ser a menudo un ejercicio inútil, ya que los cambios naturales en la deposición del canal y la erosión aguas arriba de un puente pueden cambiar a menudo el ángulo de flujo en relación con la alineación de un puente y causar estos problemas hidráulicos.

Las medidas estructurales pueden aplicarse en la etapa de diseño asegurando que las zapatas continuas estén situadas por debajo de las profundidades máximas de socavación de diseño. Medidas de mantenimiento o reparación relacionadas con la socavación incluyen añadir armaduras de roca tipo escollera o rip-rap a la base de los pilares y estribos.

De la misma manera, la aplicación de estas medidas está limitada por las incertidumbres a la hora de determinar la profundidad de socavación prevista, sobre todo debido a que esta puede cambiar a lo largo de la vida útil del puente.

Por ejemplo, en escenarios con eventos sísmicos, si la socavación está en un nivel muy avanzado, la masa suspendida del puente se incrementa y, frente a acciones horizontales severas, la estructura puede verse sometida a desplazamientos altos, originando daños en elementos resistentes e incluso pérdida de estabilidad si no se dispone de los medios adecuados (topes o tirantes sísmicos, por ejemplo).


Nuestra opinión como expertos

Nosotros, al igual que muchos expertos, pensamos que el método más eficaz y económicamente viable para combatir la socavación es vigilar su evolución a lo largo del tiempo y llevar a cabo las obras de reparación o refuerzo necesarias en base a un enfoque predictivo mediante la simulación de escenarios críticos.

En la actualidad, lo más habitual es llevar a cabo el control de la socavación a través de inspección visual. Las inspecciones visuales entrañan la participación de buzos para inspeccionar el estado de los cimientos y medir la profundidad de la socavación utilizando instrumentos básicos. Dos desventajas particulares asociadas con este método de inspección son el hecho de que las inspecciones no pueden realizarse en épocas de avenidas, cuando el riesgo de socavación es mayor, y la máxima profundidad de la socavación puede no registrarse ya que los agujeros de socavación pueden rellenarse, tal y como se comentó al hablar de socavación del lecho vivo. El hecho de que los agujeros de socavación tiendan a rellenarse puede ser peligroso y engañoso, ya que la verdadera magnitud del problema de la socavación puede pasarse por alto en la inspección.

Con el objetivo de intentar superar las limitaciones de las inspecciones visuales, se ha desarrollado instrumentación para el registro de la profundidad de socavación de manera continua o discreta. Algunos como dispositivos flotadores, dispositivos basados en tecnología TRD (reflectometria del dominio temporal), sensores de fibra óptica (Rejilla de Bragg) o equipos de ondas sonoras, son solo algunos ejemplos de las tecnologías empleadas. Al hacer un análisis de ventajas y limitaciones de la tecnología disponible, podemos afirmar que los basados en instrumentos subacuáticos fijos pueden sufrir daños durante los momentos de flujo turbulento por sedimentos en suspensión, cuando el riesgo de socavación es más alto y los basados en medidas e instrumentación discreta no ofrecen información continua ni inmediata, lo que limita su utilidad.

Para determinar qué obras de reparación son necesarias, si bien es importante tener conocimiento sobre la magnitud de la socavación, es aún más importante saber cómo esa socavación está influyendo en la estabilidad global del puente, y cómo lo hará en el futuro. Esto se traduce en que las soluciones deben ser diseñadas por ingenieros teniendo en cuenta la realidad del puente.

En nuestra metodología utilizamos sensórica estratégicamente situada en el puente, asegurando la integridad de cada nodo, para validar y calibrar modelos numéricos del puente, lo que nos da en tiempo real la respuesta de cada puente frente al proceso de socavación al que se está enfrentando. Mediante la simulación de escenarios los clientes pueden tomar decisiones sobre las medidas de reparación a tomar y cuál es el momento óptimo para hacerlo.


Referencias

Maddison, B. (2012). Scour failure of bridges. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Forensic Engineering165(1), 39-52.

Melville, B. W., & Coleman, S. E. (2000). Bridge scour. Water Resources Publication.

Nemry, F., & Demirel, H. (2012). Impacts of Climate Change on Transport: A focus on road and rail transport infrastructures. European Commission, Joint Research Centre (JRC), Institute for Prospective Technological Studies (IPTS).

Prendergast, L. J., & Gavin, K. (2014). A review of bridge scour monitoring techniques. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering6(2), 138-149.

Wardhana, K., & Hadipriono, F. C. (2003). Analysis of recent bridge failures in the United States. Journal of performance of constructed facilities17(3), 144-150.

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