Búsqueda de nuevas formas de puentes que puedan extenderse más allá

Las formas de puente recientemente identificadas podrían permitir alcanzar en el futuro luces de puente mucho más largas, lo que podría hacer viable el cruce del Estrecho de Gibraltar, desde la Península Ibérica hasta Marruecos.

Las nuevas formas de puentes utilizan una nueva técnica de modelado matemático para identificar formas óptimas para puentes de gran envergadura. La investigación se publica el 19 de septiembre de 2018 en las Actas de la Royal Society.

La luz de un puente es la distancia de la calzada suspendida entre torres, con el récord mundial actual de poco menos de 2 km. La forma más popular para tramos largos es la forma de puente colgante, como la que se utiliza para el puente de Humber, aunque la forma de puente atirantado, en la que los cables conectan directamente la torre a la calzada, como la que se utiliza en el recientemente construido Queensferry Crossing en Escocia, se está volviendo cada vez más popular.

A medida que los tramos del puente se hacen más largos, se necesita una proporción cada vez mayor de la estructura sólo para soportar el peso propio del puente, en lugar del tráfico que lo atraviesa. Esto puede crear un círculo vicioso: un aumento relativamente pequeño de la envergadura requiere el uso de una cantidad significativamente mayor de material, lo que conduce a una estructura más pesada que requiere aún más material para sostenerla. Esto también establece un límite en cuanto a la longitud de un puente; más allá de este límite, un puente simplemente no puede soportar su propio peso.

Una opción es utilizar materiales más resistentes y ligeros. Sin embargo, el acero sigue siendo la opción preferida porque es resistente, fácilmente disponible y relativamente barato. Así que la única forma de aumentar la luz es cambiar el diseño del puente.

El profesor Matthew Gilbert de la Universidad de Sheffield, que dirigió la investigación, dijo: "El puente colgante ha existido durante cientos de años y aunque hemos sido capaces de construir tramos más largos a través de mejoras incrementales, nunca nos hemos detenido a mirar para ver si es realmente la mejor forma de utilizarlo. Nuestra investigación ha demostrado que existen formas estructuralmente más eficientes, lo que podría abrir la puerta a luces de puentes significativamente más largas en el futuro".

La técnica ideada por el equipo se basa en la teoría desarrollada por el homónimo del profesor Gilbert, Davies Gilbert, quien a principios del siglo XIX utilizó la teoría matemática para persuadir a Thomas Telford de que los cables de suspensión de su diseño original para el puente del Estrecho de Menai, en el norte de Gales, seguían una curva demasiado poco profunda. También propuso una "catenaria de igual tensión" que mostrara la forma óptima de un cable que tuviera en cuenta la presencia de cargas gravitatorias.

Al incorporar esta teoría de principios del siglo XIX en un modelo moderno de optimización matemática, el equipo ha identificado conceptos de puentes que requieren el mínimo volumen posible de material, lo que potencialmente hace que sean factibles luces significativamente más largas.

Los diseños matemáticamente óptimos contienen regiones que se asemejan a una rueda de bicicleta, con múltiples "radios" en lugar de una sola torre. Pero sería muy difícil de construir en la práctica a gran escala. Por lo tanto, el equipo las sustituyó por torres divididas de sólo dos o tres "radios" como un compromiso que conserva la mayor parte de los beneficios de los diseños óptimos, a la vez que es un poco más fácil de construir.

Para un tramo de 5 km, que es probable que sea necesario para construir el cruce del Estrecho de Gibraltar de 14 km, un diseño tradicional de puente colgante requeriría mucho más material, lo que lo haría al menos un 73% más pesado que el diseño óptimo. En contraste, los diseños propuestos de dos y tres rayos serían sólo un 12 y un 6 por ciento más pesados, lo que los haría potencialmente mucho más económicos para construir.

Las nuevas formas del puente requieren menos material, principalmente porque las fuerzas de la cubierta se transmiten más eficientemente a través de la superestructura del puente a los cimientos. Esto se consigue manteniendo las trayectorias de carga cortas y evitando las esquinas agudas entre los elementos de tracción y de compresión.

El equipo enfatiza que su investigación es sólo el primer paso, y que las ideas no pueden ser desarrolladas inmediatamente para la construcción de un mega puente. El modelo actual considera sólo las cargas gravitatorias y aún no considera las fuerzas dinámicas que surgen del tráfico o de la carga del viento. También es necesario seguir trabajando para resolver los problemas de construcción y mantenimiento.

El coautor, Ian Firth, de COWI, dijo: "Se trata de un avance interesante en la búsqueda de una mayor eficiencia de materiales en el diseño de puentes de gran luz. Hay mucho más trabajo por hacer, especialmente en el diseño de métodos de construcción eficaces y económicos, pero quizás algún día veremos estas nuevas formas tomando forma a través de algún estuario ancho o de una travesía marítima".