La doble hélice de los tirantes

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Puente Samuel Beckett, Dublín, Fotografía: Giuseppe Milo (CC BY 2.0)

Puede que no se haya dado cuenta, ya que la mayoría de los grandes puentes atirantados en general son autopistas de muchos carriles donde no hay aceras para pasear, pero, si tiene la oportunidad de observar de cerca los tirantes de una de estas construcciones, verá con probabilidad un detalle que es fácil pasar por alto: la vaina de plástico que protege el tirante tiene una línea en forma de doble hélice marcada en su superficie, una especie de ribete apenas apreciable que se desarrolla alrededor de la vaina. Pues bien, esos resaltos minúsculos evitan que el puente pueda colapsar por un fallo de los tirantes. Hasta los pequeños detalles de una obra gigantesca encierran historias curiosas.

Qué es un tirante

Los puentes atirantados se denominan así porque su mecanismo resistente característico son los tirantes, elementos lineales que unen las pilas con el tablero. Los tirantes en los puentes nacieron hace ya más de un siglo, pero es en los últimos cincuenta años cuando se han utilizado de manera masiva en la ingeniería estructural. El control de la fabricación de los materiales (aceros de muy alto límite elástico y resistencia), el ahorro de tiempo gracias al ordenador en cálculos iterativos y muy laboriosos y los avances en la tecnología de construcción (gatos, cuñas de anclaje, amortiguadores, etc.) han favorecido la proliferación de esta tipología, la más rentable económicamente para un rango de luces de entre 150 y 400 metros. 

Si bien hay casos en los que se construyen de hormigón pretensado, habitualmente los tirantes son de acero y están formados por un cierto número de cordones en disposición paralela, estando cada cordón formado a su vez por alambres entrelazados. Por ejemplo, en el puente de la Constitución de 1812 sobre la bahía de Cádiz, que con un tramo atirantado de 1180 metros y con 540 metros de luz máxima es récord de España y tercero de Europa de este tipo, sus 176 tirantes tienen entre 31 y 91 cordones de 7 alambres. 

Mediante gatos hidráulicos, los tirantes se traccionan, se tensan, para que la estructura en conjunto sea capaz de soportar tanto su propio peso como las diferentes sobrecargas a las que tendrá que hacer frente a lo largo de su vida (en cierto modo, el tensado de los tirantes es el «forjar el carácter» de la juventud). Los tirantes realmente están muy tensos: piensen en unas cuerdas exageradamente duras de una guitarra o de un arpa, instrumento con el que muchas veces se elaboran metáforas cogidas de los pelos sobre los puentes atirantados.

Aun siendo el de los cordones un acero especial, del orden de entre tres y cuatro veces más resistente que el que compone las barras corrugadas del hormigón armado normal, su principal enemigo es el mismo asesino silencioso: la oxidación. Para evitarla, los cordones se protegen individualmente con diferentes productos (cera, galvanizado, recubrimiento de PEAD, etc.) y, de manera conjunta, se envuelve el haz de cordones con una vaina de un material plástico que sirve de última barrera frente a la corrosión y también de protección contra el fuego y las radiaciones ultravioleta, además de tener funciones aerodinámicas y estéticas.

Puente de Brooklyn, Nueva York, ca. 1910. Fotografía: Library of Congress (DP).

Todo son risas hasta que alguien pierde un ojo

Desde que se filmó el colapso del puente de Tacoma, el vídeo es proyectado a los estudiantes de Ingeniería una y otra vez hasta que reaccionan tumbándose en posición fetal y chupándose el pulgar cuando alguien les dice que su estructura se mueve inesperadamente bajo un viento flojo. Pues así encontraron a los proyectistas del puente Meiko Nishi en Nagoya (Japón) cuando les informaron de que su atirantado estaba haciendo cosas raras. Los tirantes se movían demasiado sin venir a cuento: caía una lluvia fina y el viento no era excesivo (entre 30 y 55 km/h) e incidía en un ángulo de entre 20º y 60º con relación al plano que formaban los tirantes. No eran unas condiciones climáticas extremas que no se habían considerado en el cálculo, ni se produjo una sobrecarga extraordinaria en el tablero, ni había constancia de un fallo en los anclajes de los tirantes. Los tirantes se movían como una comba, con unas amplitudes máximas de entre 0,25 y 1 metro. Y para que los tirantes vibraran, la fuerza que se tenía que estar generando tenía que ser muy importante (recuerden, cuerdas hipertensas de una guitarra). Aquello olía a un fenómeno aerodinámico, como en Tacoma, y por aquel entonces (finales de los ochenta) no había constancia de que hubiera pasado en ningún otro puente. El sudor frío se comenzó a medir en pantanos. 

En el caso del puente Meiko Nishi los daños afectaron a los anclajes de los tirantes y en menor medida a los cordones, sin ser nada catastrófico, pero en otros casos que se fueron conociendo posteriormente, como en el puente Yangpu en Shanghái (China), los tirantes llegaron a chocar unos contra otros dándose un espectáculo muy poco tranquilizador para cualquiera que estuviera circulando por el tablero, a la par que contrario a la durabilidad de la estructura.

El fenómeno, finalmente descrito por Hikami y Shiraishi en 1988 en su artículo «Rain-Wind Induced Vibrations of Cables in Cable-Stayed Bridges», efectivamente respondía a un mecanismo de excitación aerodinámico, pero no era flameo, ni vortex shedding, ni wake galloping, ni galloping, ni buffeting ni cualquier otro concepto complejo acabado en ing. Era un suceso mucho más intuitivo: cuando llueve, las gotas de lluvia caen sobre las vainas de los tirantes acumulándose hasta que, llegado cierto momento, comienzan a fluir por efecto de la gravedad a lo largo de las mismas en hilillos de agua, pequeños riachuelos. Estos hilillos de agua, aun a una escala muy pequeña, alteraban la geometría de la superficie de la vaina y cambiaban la sección del tirante que se oponía al viento, generando turbulencias, vórtices y fuerzas aerodinámicas inesperadas que provocaban la oscilación de los tirantes. Eso sí, no todos los puentes atirantados que existían hasta que se descubrió el fenómeno eran susceptibles de sufrir estos problemas inducidos por la lluvia y el viento, ya fuera por la dirección habitual de los vientos del emplazamiento, la intensidad de la lluvia, la escasa simultaneidad de ambos fenómenos o características físicas de los tirantes en sí (amortiguamiento inherente de los mismos, por ejemplo).

La solución fue muy sencilla e ingeniosa, prácticamente un estándar hoy en día en zonas donde las temperaturas no son extremadamente frías (por la posibilidad de formación de hielo). Para evitar que los hilillos alcanzaran la masa crítica por acumulación de agua, en la vaina se trazaron dos hélices con cierto espesor que evitaba largas superficies lisas ininterrumpidas a lo largo de una generatriz, de manera que los riachuelos, de poco caudal, no podían superar el grosor de la hélice y se veían obligados a seguir la dirección de esta. El aspecto estético apenas se resentía (las hélices solo se aprecian a relativa corta distancia) y el coste es mínimo para obras nuevas y asumible para puentes ya ejecutados, puesto que existe maquinaria preparada a tal fin que ejecuta de manera automática cordones de soldadura en hélice en tirantes en servicio. Así que, cuando vuelvan a ver las vainas con las hélices en su superficie, no piensen que se debe a su fabricación industrial, como las chimeneas cilíndricas o tuberías metálicas que se conforman mediante soldadura a partir de una chapa plana, sino que es a consecuencia de que, en un momento determinado, unos proyectistas estuvieron a punto de morir de un infarto cuando unos tirantes vibraron con vida propia.

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1 comentario

  1. Excelente lectura que me evoca tantas experiencias. He construido (mediante la empresa) sistemas de tensión para estos cables que luego serían recubiertos con cemento para obtener prefabricados con diversas formas. Verdaderamente, ver esas largas losas de cemento (20 o 30 metros) que toman una ligera curva después de la liberación de los 350 kilos x cm2 sobre cada cable, con el cemento ya seco da impresión. Y, sin embargo, es la condición necesaria para que después puedan responder con flexibilidad a las solicitaciones. Y me perdone si me voy por las rama, pero 49 muertos por la caída del puente de Génova me obliga a este comentario. Estaba construido con placas con cables en su interior y, el cemento, con el tiempo se fue deteriorando con el resultado conocido ya que su estructura férrea quedó expuesta a la corrosión. El gerente de la sociedad privada que gestionaba el uso de esa vía, una subsidiaria de Benetton, fue desplazado como correspondía, pero con un bonus millonario, en agradecimiento por los grandes resultados financieros en la bolsa lucrando sobre la NO manutención. Era un puente bellísimo, elevado, entre las colinas, pero necesitaba mantenimiento. Muchas gracias por la lectura.

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