La resonancia bien entendida (II): el puente Arcos de Alconétar

Cuando escribí mi artículo sobre la resonancia y el puente de Tacoma Narrows, me quedé bastante satisfecho.  Hice un trabajo que creí ayudaría a la gente a entender el concepto de resonancia, al tiempo que ponía las cosas en su sitio con relación al caso de resonancia destructiva más conocido de la Historia.  Incluso me valió una nominación a los Premios Tesla, lo cual no está nada mal.

Creo que no hice bien mi trabajo.  Los profes de Física tendríamos que descartar el caso del puente de Tacoma como ejemplo de resonancia destructiva, pero como mínimo podríamos decir a los alumnos que, desde entonces, todas las grandes estructuras son sometidas a tests de túnel de viento para descartar efectos resonantes.

¡Ingenuo de mí!  No solamente no es así, sino que un lector me envió un comentario con un caso reciente, y además en España.  Nada menos que un puente de cuatrocientos metros de longitud, inaugurado en 2006, y que sufre efectos resonantes extremos en pleno proceso de construcción.  ¡Y encima le dan un premio a la innovación tecnológica!  Lean ustedes mismos:

“por sus dimensiones, la dificultad de su emplazamiento y el novedoso procedimiento constructivo, propio de una empresa española.”

Cuando me enteré, hice el equivalente mental de cargar la escopeta. Si esta es la innovación y la excelencia de las empresas constructoras en España, no sé por qué nos sorprende lo que nos está pasando, esto es una monarquía bananera, viva Españistán y etcétera.  Me dediqué a buscar un blanco para mis iras.  El problema es que, cuando lo encontré, me desarmó completamente y me evitó el gasto de los látigos.  Y es que algunas cosas no son lo que parecen, y lo que se presentaba a primera vista como una chapuza acabó siendo una labor bien hecha, digna de los mejores del mundo.

Como de costumbre, vamos con las presentaciones.  En un intento por vertebrar las comunicaciones por carretera sin pasar por Madrid (lo que, como andaluz periférico, aplaudo sin reservas), se financió y construyó una larga autovía que atraviesa la Península desde Sevilla hasta Gijón: es la A-66, conocida como Autovía de la Plata.

Para atravesar el Tajo (a la altura del embalse de Alcántara), se diseñó el que hoy llamamospuente Arcos de Alconétar, estructura basada en un par de arcos metálicos de 220 metros de luz, sobre el que iría un tablero de hasta 400 metros de longitud.  El sistema de arcos fue construido mediante un ingenioso método que ahorra tiempo: los arcos se construyen en un taller, se llevan a su emplazamiento y se montan allí.  En su momento, fue el mayor puente del mundo construido mediante este sistema.

 

Todo iba bien hasta el 10 de enero de 2006.  Los dos semiarcos del primer arco de soporte habían sido unidos entre sí y estaban ya empotrados en sus arranques.  El viento soplaba suave, a una velocidad constante de unos 20-30 km/h.

Imagínense la cara que se les pondría a todos cuando el arco comenzó a marcarse una samba:

Las mediciones hechas posteriormente indican que el arco se desplazaba hasta 80 centímetros respecto a su posición ideal, con un período de 1,4 segundos, fenómeno que duró aproximadamente una hora.  Tras dos semanas de tregua, los días 24, 25 y 29 de enero de 2006 fueron testigos de nuevos episodios de “samba.” Afortunadamente, la elección de la estructura del arco evitó una caída catastrófica.

De hecho, durante uno de los episodios de samba, se detectó una fisura en la parte inferior del arco, que rápidamente se trasladó a la parte superior.  Afortunadamente, el arco estaba formado por dos sub-arcos paralelos, unidos entre sí mediante un sistema de unión (arriostramientos) en forma de X.  Fue dicha estructura la que mantuvo la integridad estructural del arco.

 

Un segundo elemento de éxito fue la investigación de las causas.  Tras el primer episodio de samba, los ingenieros no perdieron ni un momento en buscar a un experto.

El escogido fue el catedrático Miguel Ángel Astiz Suárez, de la Universidad Politécnica de Madrid, un experto de primera fila en la materia según me cuentan.  Sus estudios confirmaron que se trataba de un fenómeno de resonancia originado por la presencia de vórtices de von Karman, iguales por tanto a los del puente de Tacoma Narrows.  La combinación de vientos uniformes de baja velocidad y una geometría uniforme del obstáculo propiciaron un efecto resonante en el segundo modo de vibración del arco.

 

En tercer lugar, intervención rápida y eficaz. Las posibles soluciones fueron puestas a prueba en los túneles de viento de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos de la UPM, bajo la supervisión del profesor Meseguer.  Tras analizar los resultados, se propusieron tres tipos de soluciones: incrementar la rigidez de la estructura, añadir sistemas de amortiguación, o introducir dispositivos aerodinámicos.

La solución escogida fue la tercera, ya que no solamente resultaba la más económica, sino, y esto era lo esencial, la más rápida de instalar.  Dicho y hecho, se diseñó e instaló un sistema de deflectores, una especie de alerones horizontales, soldados en la parte superior del arco, que canalizaban la trayectoria del aire y evitaba la formación de remolinos. No era la solución perfecta, pero redujo en gran medida la amplitud de las vibraciones (de 80 a 3 centímetros) durante los trabajos de construcción.

Esa combinación de rigidez estructural, análisis correcto e intervención rápida evitó que el puente acabase en el fondo del Tajo antes incluso de haber sido terminado, algo que dice mucho a favor de la habilidad de los ingenieros españoles.  La estructura de arcos fue reforzada y modificada con los deflectores, el tablero fue situado en su lugar, y cuando el puente fue terminado su estructura ya no era resonante, lo que acabó con cualquier temor de que se convirtiese en otro “Gertrudis galopante.”

Por supuesto, nos queda la gran pregunta pendiente: si los diseñadores eran tan listos, ¿por qué el puente casi se les cae apenas comenzar la construcción? Llega así la hora del análisis forense.  En estos casos, soy de la opinión de que, si quieres el agua pura, has de ir a la fuente, así que no se me ocurrió nada mejor que preguntarle a los ingenieros.

La empresa encargada de la construcción del puente Arcos de Alconétar es la española OHL, pero el proyecto en sí corrió a cargo de EIPSA (Estudio de Ingeniería y Proyectos S.A.).  Ni corto ni perezoso, llamé y pedí que me pusieran con el director de proyectos.  No se encuentra disponible, me dicen.  Entonces se me ocurrió pedir que me pasasen con el presidente.  Nada menos, menuda moral tengo.  “Un momento, voy a ver si está,” unos pasos por el pasillo … y el presidente se pone al aparato.

Ese fue mi primer contacto con José Antonio Llombart Juques, presidente de EIPSA, y una de las personas más agradables que he tenido el placer de conocer.  Durante más de una hora me explicó mil detalles del puente de Alconétar en particular y de la ingeniería en general, respondió a todas mis preguntas y prometió enviarme artículos sobre el tema del puente, los cuales me han servido de gran ayuda.  Por supuesto, sabe de ingeniería mucho más que yo, así que los fallos de este artículo son míos y solamente míos.

La pregunta que me rondaba por la cabeza, y de hecho la que me impulsó a coger el teléfono, fue ¿cómo es posible que, ya en pleno siglo XXI, no se hagan pruebas de túnel de viento en las grandes estructuras para evitar problemas?  ¿Es que seguimos en la era pre-Tacoma?  Bien, según parece sí que se hacen estudios dinámicos y pruebas de viento con maquetas, pero solamente para estructuras de cierto tamaño, digamos unos 200 metros.  En el caso de Alconétar, el puente era algo más largo, pero la innovadora técnica de construcción que utilizaron se había ensayado ya en otros puentes con éxito, y nada hacía presentir que podría haber problemas en este caso. En cualquier caso, debo reconocer que a mí nunca se me hubiese ocurrido probar en el túnel un solitario arco.  Por lo general, se evalúan estructuras terminadas, no en proceso de construcción.

Por supuesto, se hacen estudios de comportamiento estático, y a veces también dinámico, pero los detalles son difíciles de determinar en un proyecto previo.  En ocasiones, ni los más grandes proyectos de ingeniería se libran.  Como ejemplo, Llombart me habló de un puente gigante en Dinamarca, parte de una combinación de puentes y túneles denominados Storebaelt, y que con una longitud total de 18 kilómetros unen las principales islas danesas con el continente.  Las cifras son impresionantes: mil seiscientos metros de luz, años de estudios, lo construyen … y comienzan a aparecer vibraciones antes de su inauguración.  Tras mil pruebas y ensayos, finalmente detectan unos vórtices que producían un efecto resonante en el quinto modo vertical de vibración.

En el extremo opuesto de tamaño, un artículo de la revista Structural Engineering International que tuvo la amabilidad de enviarme mostraba cómo un pequeño puente peatonal en Copenhague fue analizado en busca de vibraciones inducidas por los peatones, incluso en el caso de vandalismo (varias personas saltando); la respuesta fue la adopción de un sistema de amortiguadores.  Inevitablemente saqué el tema del puente del Milenio de Londres (que yo ya comenté al final de mi anterior artículo), y me dijo bien claro que “se veía venir.”  No sé si lo dijo porque el diseño de ese puente lo hacía proclive a resonancias, o porque lo construyó un arquitecto y no un ingeniero; yo tengo mi hipótesis particular, pero me la guardo.

Me quedó una duda no despejada.  Verán ustedes, la instalación de los deflectores era necesaria solamente mientras se construía el puente.  Una vez construido, la nueva estructura tendría unas frecuencias de resonancia distintas, lo que convertiría a los deflectores en innecesarios.  Sin embargo, no los retiraron.  ¿Por qué?  El señor Llombart me dijo que los dejaron en su sitio por el coste extra que hubiese supuesto su retirada.  Me lo creo. Pero yo creo que hay un motivo adicional oculto: no los quitan porque están encantados con el apodo que le han puesto al puente los lugareños.

Y es que, gracias al fenómeno de la resonancia, al puente le surgió un curioso apodo.  Ya sabéis lo aficionados que somos a poner motes de todo tipo.  En estos días se cumplen treinta años de una construcción llamada que lleva el nombre oficial de Torrespaña, pero que es mucho más conocida con el nombre de “el pirulí.”  En Sevilla, el Puente del V Centenario, que recuerda al Golden Gate de San Francisco, es apodado “paquito.”  Otro puente es conocido como “el de Lepe” porque cuentan que primero hicieron el puente, y después el río.

¿Y el puente de Arcos de Alconétar?

Cuando se comenzaron a instalar los deflectores para darle estabilidad a los arcos, alguien dijo que básicamente lo que estaban haciendo era “tunear” el puente.  Ese nombre ha cuajado, y en la actualidad a ese puente se le conoce como el puente tuneado.  Me parece un apodo tan bueno que me he resistido a ponerlo en el título por no estropearles la sorpresa.  Me he tenido que morder la lengua y todo.

No solamente forma parte distintiva de su pasado, sino que en la actualidad puede verse claramente el “tuneo” incluso en Google Maps, donde se aprecia claramente la sombra de los alerones deflectores como una serie de pestañas colocadas en la parte superior de los arcos, bajo el tablero principal:

 

Como pueden ver, setenta años de progreso en ingeniería de puentes han dado mucho de sí.  Un problema grave, que ni la normativa española ni la europea recogían en sus protocolos, fue identificado, evaluado y corregido en tiempo récord.  Lo más cercano que tuvimos a un Tacoma Narrows está intacto y cumpliendo su misión en la A-66.  Si fuese un ente inteligente, yo diría que cumple con orgullo, y la samba es ya un recuerdo de loca juventud.

Irónicamente, tenemos más imágenes de la caída del puente de Tacoma Narrows que del bailoteo loco de nuestro puente tuneado.  Apenas un minuto de grabación de mala calidad en YouTube, y eso es todo. Así no hay forma de poner buenos ejemplos en clase.  Si alguien pasó por allí con una cámara durante las sesiones de samba, sea bueno y comparta su suerte con nosotros.

Referencias:

(1) José Antonio Llombart Jacques, Jordi Revoltós Fort, Sergio Couto Wörner: “Puente sobre el río Tajo, en el embalse de Alcántara (‘Arcos de Alconétar’)” Hormigón y Acero, nº 242, 4º trimestre 2006, pp. 5-38.  Disponible online en

http://e-ache.com/uploads/pd-downloads/242central.pdf

(2) J. M. Terrés-Nícoli, Gregory A Kopp: “Mechanisms of the vertical vortex induced vibration of the Storebaelt bridge”  11^th American Conference on Wind Engineering – San Juan, Puerto Rico, 22-26 junio 2009

(3) Miguel Ángel Astiz, “Wind-induced vibrations of the Alconétar Bridge, Spain”  Structural Engineering International Vol.20 nº2, pp. 195-199 (2010)

(4) José Antonio Llombart, Jordi Revoltós, “Alconétar bridge over the river Tagus at Alcántara reservoir, Cáceres, Spain”  Structural Engineering International Vol.20 nº2, pp. 200-205 (2010)

Gracias a: www.amazings.es