Puentes resilientes al cambio climático

¿Cómo afecta el cambio climático a los puentes?

El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), una entidad científica internacional creada en 1988 por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), ha comprobado que la intensidad de los episodios de precipitación, en particular la proporción de la precipitación total que cae durante los episodios intensos, ha aumentado y es muy probable que siga aumentando en el futuro.

Esta tendencia relativa al aumento de los episodios de fuertes precipitaciones es generalizada a la mayoría de las regiones, incluidas algunas en las que se prevé una disminución de la cantidad total de precipitaciones. En estos últimos casos, la disminución de las precipitaciones suele atribuirse a una disminución del número de días de lluvia más que a una reducción de la intensidad de la lluvia cuando ésta se produce.

El IPCC relacionó esa mayor intensidad de las precipitaciones con un aumento en el riesgo de inundaciones y destacaron los puentes como una de las infraestructuras que están en mayor riesgo debido al cambio climático.

Sus conclusiones coinciden con los resultados de otro estudio llevado a cabo por la Asociación Mundial de la Carretera (PIARC) en colaboración con administradores de carreteras de trece estados en los cinco continentes, en el cual se concluye que la mayor intensidad y frecuencia de las precipitaciones puede causar en los puentes graves fenómenos de socavación en cimentaciones de pilas y estribos debido al aumento del caudal de avenida.

Adicionalmente, se identifican otros factores que también deberían ser considerados en determinados escenarios al evaluar la vulnerabilidad de un puente frente al cambio climático. Estos efectos significativos podrían ser:

  • Cambios de temperaturas que provocarían expansión y contracción de la superestructura del puente, provocando tensiones de origen térmico que pueden causar degradación.
  • Subida del nivel del mar que también puede causar socavación y reducción del gálibo libre.
  • Aumento en la velocidad del viento debido a un aumento en la intensidad de las tormentas que pueden convertirse en una amenaza especialmente para las estructuras de puentes de gran altura.

Aunque la mitigación del cambio climático debe ser un objetivo prioritario y global, es necesaria la adopción de una nueva estrategia más ambiciosa para la adaptación de la infraestructura al cambio climático, ya que se espera que éste seguirá creando una tensión significativa a pesar de los esfuerzos actuales para la mitigación. Esta es precisamente la visión de la Comisión Europea respecto a este tema, tal y como se afirma en la comunicación de la Comisión para el “Pacto Verde Europeo” [COM (2019) 640]. Este importante documento subraya adicionalmente la importancia de garantizar que en toda la Unión Europea (UE) las entidades con capacidad de decisión puedan acceder a datos para integrar el cambio climático en sus prácticas de gestión de riesgos.

La necesaria adaptación de los puentes frente al cambio climático

En los últimos años podemos encontrar informes específicos sobre la vulnerabilidad de los puentes frente al cambio climático que ya alertan sobre la necesidad de diseñar y adaptar los puentes teniendo en cuenta este factor. Un ejemplo es el informe “Impacts of Climate Change on Transport: A focus on road and rail transport infrastructures” publicado por el Joint Research Centre (JRC), en el cual se lleva a cabo una evaluación de la vulnerabilidad de las infraestructuras de transporte frente a los futuros cambios climáticos en los países de la UE. Para el caso de los puentes, de nuevo se identifican las precipitaciones extremas y su capacidad para inducir socavación como el mayor riesgo al que se enfrentan este tipo de estructuras.

En este informe, a través de una evaluación cuantitativa inicial de la futura vulnerabilidad y adaptación los puentes en lechos de ríos bajo los futuros cambios climáticos y los cambios en los patrones de aumentos del caudal máximo (caudales máximos de 100 años) se estimó que es posible que en las próximas décadas sea necesario proteger mediante medidas de adaptación al 20% de los puentes fluviales de la UE para mitigar el riesgo de socavación asociado al aumento de las crecidas de los ríos. Este porcentaje varía de un país a otro y se estima que los riesgos son más elevados en Austria (60%), Portugal (50%), España (42%) e Italia (39%).

¿Cómo adaptar los puentes frente al cambio climático?

Diseñar medidas de adaptación frente al cambio climático para conseguir una Infraestructura resiliente es sin duda un proceso complejo. Sin embargo, un conjunto limitado pero creciente de medidas de adaptación considera también de manera explícita estos escenarios futuros.

En el caso de diseño y construcción de nuevos puentes, podemos encontrar algunos ejemplos de proyectos de infraestructura donde se ha tenido en cuenta el cambio climático esperado, entre los que siempre se destaca el diseño del puente Confederation en Canadá. Este puente inaugurado en 1997, de 12.9 km de longitud y un presupuesto de cerca de 1000 millones de dólares, se construyó un metro más alto para anticipar el aumento del nivel del mar durante sus 100 años de vida.


Puente Confederation

Por otro lado, cuando el puente está en servicio, el diseño de medidas de adaptación para prevenir los daños debidos a los modos de fallo asociados a los efectos del cambio climático es aún más complejo, ya que debería partir de un conocimiento detallado sobre el estado estructural del puente en el momento actual.

Por ejemplo, respecto a las medidas de adaptación de puentes frente al aumento de frecuencias de lluvias e inundaciones debidas al cambio climático, estas consistirían en reforzar la cimentación del mismo para evitar o minimizar la socavación inducida en pilas y estribos. De manera simplificada, se podrían considerar dos niveles de adaptación según el cambio de flujo esperado

    • La adaptación basada en escollera (también conocida como riprap) consiste en colocar grandes bloques en la base de los pilares del puente para proteger los cimientos y los pilares del efecto directo del flujo de agua. Es la medida más común para evitar la socavación en su magnitud actual.
    • La adaptación basada en refuerzo con hormigón adicional alrededor de la cimentación es una medida que actualmente se emplea en escenarios de mayor severidad, cuando las medidas basadas en escollera se vuelven ineficaces (cuando el flujo de agua excede velocidades de 12 km/h y 10 km/h para la arena y el material no arenoso, respectivamente). Es probable que ésta pase a ser la medida más común en escenarios de cambio climático futuro.

En ambos casos, al colocarse material adicional, es necesario tener en cuenta su influencia global en la dinámica fluvial y el posible agotamiento del resguardo entre la lámina de agua y el tablero del puente como consecuencia del aumento de caudal de avenidas.

Cuando hablamos del coste asociado a implementar este tipo de medidas, se ha estimado que para puentes de carretera estos podrían suponer un incremento de entre un 1.5% al 2% respecto a los costes de mantenimiento de las carreteras actuales. Aunque esta cantidad no deja de ser significativa, es pequeña en comparación con el coste total que supondría su fallo, que puede ser de entre 2 a 10 veces el coste del propio puente si se consideran en el análisis los daños asociados al colapso de los puentes (posibles accidentes, lesiones y muertes) y la posterior y costosa reparación o reconstrucción.

Sin embargo, según un estudio realizado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), para un mismo escenario de emisiones de gases de efecto invernadero, estos costes de adaptación son sensibles a la forma en que se gestiona la infraestructura. Más concretamente estos varían significativamente en función del momento en el que se lleva a cabo la adaptación. Así, este estudio concluyó que la adaptación proactiva puede reducir el coste total de la adaptación en casi un 30%, independientemente del escenario. Esto sugiere que la adaptación en los puentes de manera oportuna basada en una filosofía de mantenimiento predictiva, además de garantizar la seguridad, también reduciría la inversión necesaria para materializar la adaptación.

Nuestra opinión como expertos

El objetivo de los administradores de puentes en todo el mundo es, sin duda, gestionar de manera óptima el stock de estas estructuras bajo su responsabilidad. Esto incluye una preocupación creciente sobre cómo llevar a cabo su adaptación para hacer frente a al cambio climático.

Decidir cómo adaptar los puentes existentes y cómo diseñar los nuevos es complejo ya que no sólo debe partir de un análisis de riesgos en cada región, sino que también debería considerar un análisis particularizado de la vulnerabilidad de cada puente. Para los que se encuentran en operación, esta vulnerabilidad va a depender sin duda de la edad del mismo, su salud estructural y de las hipótesis bajo las cuales fue diseñado inicialmente.

Es por tanto necesario que cada administrador trabaje en una estrategia para la adaptación progresiva de la infraestructura, algo que afortunadamente está siendo cada vez más reconocido y apoyado a nivel gubernamental. En este sentido, a modo de ejemplo, dado que los puentes están diseñados para una larga vida útil (>100 años), debería incluirse de manera generalizada, en los correspondientes estudios coste-beneficio previos, el futuro riesgo relacionado con el clima.

Desde IDVIA planteamos que para que esta estrategia sea realmente efectiva y minimice las necesidades de inversión a la vez que garantiza la seguridad, debe partir de un conocimiento profundo de cómo los diferentes efectos del cambio climático pueden afectar a cada puente de manera específica.

Nuestra metodología ha sido desarrollada precisamente para proveer de ese conocimiento sobre el comportamiento estructural, mediante la creación de un Digital Twin del puente capaz de representar el comportamiento real de la estructura durante su vida útil a través de la actualización continua del modelo matemático avanzado con los datos operacionales de su gemelo físico (es decir, de la estructura real).

Apoyándonos en la integración de modelización matemática, tanto a nivel global como de la propia evolución de los deterioros mediante algoritmos probabilísticos para la prognosis, y las medidas a tiempo real registradas por la sensórica instalada, es posible para nosotros actualizar la predicción de la vida útil a través de simulaciones de diferentes escenarios. Estas predicciones son claves para poder diseñar las medidas de refuerzo realmente necesarias, en este caso, para la adaptación óptima frente al cambio climático.

Referencias

Comisión Europea COM (2019) 640: El Pacto Verde Europeo

European Commission Joint Research Centre, Impacts of Climate Change on Transport: A focus on road and rail transport infrastructures, Publications Office of the European Union, 2012, 93pp.

Omenzetter, P. (2015, September). Frameworks for structural reliability assessment and risk management incorporating structural health monitoring data. In Proceedings of the 1st Workshop, COST Action TU1402: Quantifying the Value of Structural Health Monitoring (pp. 49-63). Cost European Cooperation in Science and Technology.

Parry ML, Canziani O, Palutikof JP, Hanson C, van der Linden P (eds) (2007) Climate change 2007: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, New York

PIARC. Technical Committee 4.3 – Road Bridges (2016). Adaptación al cambio climático de los puentes de carreteras. Ref. PIARC : 2017R03ES. ISBN : 978-2-84060-468-6

Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL (eds) (2007) Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, New York

Wright L., Chinowsky P., Strzepek K., Jones R., Streeter R., Smith J.B., Mayotte JM, Powell A., Jantarasami L., Perkins W., 2012, Estimated effects of climate change on flood vulnerability of U.S. bridges, Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, DOI: 10.1007/s11027-011-9354-2

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