El catastrófico colapso del puente Francis Scott Key en Baltimore, Maryland, el 26 de marzo sorprendió tanto al público como a los ingenieros. Seis trabajadores murieron después de que un buque portacontenedores se quedara sin energía y chocara con uno de los soportes del puente. El puerto de Baltimore y la red de transporte terrestre de la ciudad siguen fallando. Quedan serias dudas sobre la ineficacia de las medidas para prevenir tales desastres.
Aunque es poco probable que ocurra un escenario similar en otros lugares, los derrumbes de puentes ocurren con sorprendente frecuencia (ver 'Colapsos mortales de puentes'). En 2018, por ejemplo, parte del puente Pulsifera en Génova, Italia, se estrelló durante una tormenta y mató a 43 personas. Muchos casos no aparecen en los titulares. En China, entre 2000 y 2014, por ejemplo, más de 300 puentes de carretera se derrumbaron y mataron a 564 personas e hirieron a 917 más.1.
Los puentes son los activos más vulnerables y más caros de las redes de transporte. Más allá de las vidas perdidas y los costos de reposición, la falla de un solo puente puede obstaculizar el movimiento de personas y bienes en un área durante meses o años. El tráfico desplazado genera más congestión, contaminación, desgaste de las carreteras y accidentes en otros lugares. Los retrasos en la entrega de bienes están alterando las cadenas de suministro globales. Las pérdidas económicas por fallas en los puentes pueden alcanzar millones de dólares por día y están aumentando rápidamente.2,3. Las pérdidas indirectas (como el aumento del tiempo de viaje) pueden ser de 5 a 20 veces mayores que las pérdidas directas.4.
Fuente: Análisis de J.M. Adam et al.
Es evidente que es fundamental evitar que los puentes colapsen. Sin embargo, a medida que los puentes envejecen, resulta cada vez más difícil evaluar y garantizar su integridad estructural. Durante la larga vida útil de un puente (normalmente 100 años), los vehículos y trenes que lo cruzan inevitablemente desarrollan cargas que pueden exceder las que se tuvieron en cuenta al diseñar los puentes. Los cambios a largo plazo en los vehículos y el tráfico también exponen a los puentes a riesgos de colisión que tal vez no se hayan considerado durante el diseño.
El deterioro del material reduce y empeora la resistencia de los componentes estructurales. Cambio climático y el calor5–7. Los eventos climáticos extremos que son más frecuentes y severos exponen a los puentes a una mayor contaminación por el flujo de agua y más Deslizamientos de tierra y hundimientosCon efectos generales difíciles de predecir8. En consecuencia, los puentes envejecidos enfrentan mayores riesgos e incertidumbres que dificultan la evaluación de su seguridad.
¿lo que debe hacerse? Aquí describimos los problemas, destacamos cómo podemos hacer que los puentes del mundo sean más seguros a través de mejores estándares, mantenimiento y preparación, y lecciones aprendidas de otras industrias.
Actualizar estándares
Las reglas y normas de seguridad actuales todavía carecen de orientación sobre cómo abordar los crecientes riesgos que plantean la degradación de los materiales y los fenómenos extremos más frecuentes. La mayoría de las reglas se centran en el diseño de puentes nuevos, no en evaluar la seguridad de los puentes antiguos. Sin embargo, los dos escenarios plantean problemas diferentes.
Por ejemplo, el diseño del puente Canakkale de 1915 en Turquía, inaugurado en 2022, requería un rendimiento aerodinámico mejorado. Garantizar la seguridad del puente colgante de Clifton en Bristol, Reino Unido, inaugurado en 1864, requiere proteger los eslabones de la cadena de hierro forjado que se construyeron para un puente anterior 180 años antes y comprender las intervenciones de seguridad pasadas a partir de la escasa información disponible.
Existen algunas normas nacionales e internacionales que abordan la evaluación y modernización de puentes existentes, por ejemplo a través de especificaciones técnicas destinadas a ser utilizadas con los Eurocódigos de primera generación, que se actualizarán el próximo año (ver go.nature.com/3wdrmes). Sin embargo, estos estándares cubren sólo principios generales para evaluar las necesidades actuales de intervenciones estructurales, y no cómo evitar el colapso de puentes en un futuro incierto.9.
El diseño del puente Canakkale de 1915 en Türkiye, inaugurado en 2022, requirió modelado aerodinámico.Fotografía: Burak Akay/Agencia Anadolu/Getty
Los métodos de evaluación también se basan en tendencias y datos históricos para describir las cargas resultantes del tráfico, los impactos de los vehículos y las condiciones ambientales. Sin embargo, estos varían significativamente con el tiempo y pueden no reflejar condiciones futuras.
El creciente número de automóviles y camiones en las carreteras significa que los puentes deben soportar una mayor frecuencia de tráfico de vehículos, lo que puede acelerar el crecimiento de grietas y fallas. A medida que aumenta el tráfico ferroviario, también aumenta el peso y la longitud de los trenes de mercancías. La capacidad de carga de los buques portacontenedores que hacen escala en los puertos hoy en día ha aumentado aproximadamente un 1.500% desde 1968 (ver go.nature.com/4dacdfp). La fuerza producida por barcos tan enormes si chocan contra el muelle de un puente es imparable, como trágicamente fue testigo de Baltimore.
Los modelos climáticos globales también predicen una amplia gama de posibles escenarios futuros, lo que arroja más dudas sobre cómo los puentes actuales resistirán eventos climáticos extremos a lo largo de su vida.8.
Por lo tanto, la seguridad de los puentes debe evaluarse de una manera más integral, combinando evaluaciones integrales de riesgos con datos recopilados sobre puentes existentes.10.
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Esto requiere cuatro avances. Uno de los métodos más precisos para estimar cargas ambientales y operativas que puede manejar las expectativas en evolución. Los dos mejores modelos de cómo el cambio climático afectará la degradación. Tres, protocolos armonizados para el procesamiento e interpretación de datos relacionados con la respuesta estructural de puentes. y cuatro, herramientas dinámicas de apoyo a la toma de decisiones que proporcionan información relevante y oportuna a los administradores de puentes.
Actualmente se están realizando los primeros esfuerzos en esta dirección. Por ejemplo, a través de la Asociación Internacional de Ingeniería Estructural y de Puentes (IABSE), los profesionales de puentes colaboran para proponer procedimientos de evaluación de seguridad que tengan en cuenta nuevos riesgos y revisar métodos para evaluar la confiabilidad de las estructuras existentes. Sin embargo, estos avances todavía no son suficientes para cambiar la práctica común.
Los procesos regulatorios y de estandarización requieren llegar a acuerdos entre muchos actores, desde los formuladores de políticas hasta los profesionales. La Comisión Europea está allanando el camino y se ha comprometido a actualizar las normas para el mantenimiento y seguimiento de la infraestructura de transporte europea, incluidos los puentes. Para lograrlo, financió el proyecto IM-SAFE (2020-23; go.nature.com/3qscerw) para revisar las técnicas actuales de topografía y seguimiento y sugerir flujos de datos para la gestión de estructuras. Los compromisos firmes por parte del comité, así como la aceptación de los nuevos códigos por parte de los administradores de infraestructura, serán fundamentales para el éxito del diseño y publicación de un nuevo estándar en la próxima década.
Reparación de puentes desgastados
Es necesario abordar urgentemente el enorme retraso en las reparaciones de puentes. Sólo en Estados Unidos, hay más de 46.000 puentes considerados estructuralmente deficientes, y cada día se realizan aproximadamente 178 millones de viajes sobre estos puentes (ver go.nature.com/3k41ztg). Los costos de reparación se estimaron en 125 mil millones de dólares. En Europa hay al menos 9.000 puentes que necesitan ser reforzados o reparados11. Se trata de cifras alarmantes, sobre todo teniendo en cuenta los pocos datos disponibles sobre el estado de los puentes en otras partes del mundo.
Además de ser más barato que reconstruir, prolongar la vida útil de los puentes aporta beneficios medioambientales. Estos incluyen reducciones en el consumo de recursos, la generación de desechos y las emisiones de dióxido de carbono.
Reduzca los riesgos y reduzca el fracaso
La resiliencia, a través de una mejor preparación, es clave para prevenir colapsos catastróficos de puentes. En términos prácticos, esto significa que el sistema de transporte debe poder continuar brindando servicio en caso de un evento perturbador.
Los ingenieros y administradores de puentes deben desarrollar una mejor comprensión de las tres etapas que conducen al colapso estructural. Estos son: la aparición de un peligro; Fallo inicial de un componente debido a daño; La falla se propaga a través de la estructura. Diferentes medidas de reducción de riesgos son efectivas en cada etapa y pueden usarse juntas para prevenir el colapso.
Los ingenieros instalan sensores en un puente de carretera en Herne, Alemania, después de descubrir que sus vigas se habían doblado.Fotografía: Rolf Weinenbrand/DPA/Alamy
En primer lugar, las políticas o intervenciones pueden reducir la probabilidad de que ocurra el riesgo. Por ejemplo, las colisiones de barcos pueden mitigarse creando islas protectoras alrededor de los embarcaderos. El tráfico por carretera y ferrocarril se puede limitar para reducir la posibilidad de sobrecarga. Por ejemplo, en el Reino Unido, se debe notificar a las autoridades de carreteras cuando se va a utilizar un vehículo que pese más de 44 toneladas en una vía pública porque muchos puentes no son adecuados para tales cargas.
En segundo lugar, se puede reducir la probabilidad de fallo de un componente del puente, por ejemplo reforzando los pilares y mediante inspecciones periódicas. La mejora de componentes es conceptualmente sencilla. Sin embargo, a menudo es difícil juzgar contra qué carga diseñar, dada la imprevisibilidad de los eventos extremos durante la vida de un puente. La investigación sobre las tendencias climáticas futuras mejoraría estos supuestos. Además de las inspecciones, también se pueden instalar sensores en los puentes para detectar las primeras etapas del daño, lo que permite realizar reparaciones rápidas antes de que fallen los componentes.
En tercer lugar, los ingenieros pueden prevenir la propagación de fallas mejorando la comunicación entre los componentes para que las cargas transportadas por los componentes fallidos puedan redistribuirse al resto de la estructura.12,13. Los ingenieros necesitan comprender mejor cómo redistribuir las cargas para una amplia gama de tipos de puentes.
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Afortunadamente, la gama de sensores y algoritmos disponibles para el monitoreo de puentes se ha expandido dramáticamente en los últimos años, al igual que los mercados para dichos sistemas, que se espera que crezcan a una tasa anual del 12% a nivel mundial hasta 2033 (ver: go.nature.com/3wdjvmn). Se puede utilizar ultrasonido o radar de penetración terrestre para probar las propiedades de los materiales y detectar defectos y daños.14. Los sensores de fibra óptica pueden monitorear las vibraciones y deformaciones de los puentes15. Los sensores de temperatura y humedad pueden obtener datos sobre las condiciones ambientales y de funcionamiento.
La investigación sobre la identificación temprana de daños está maduradieciséis. Pero es difícil extrapolar los datos para predecir eventos que podrían conducir a fallas catastróficas. Esto requiere simulaciones computacionales de posibles escenarios de falla, como las realizadas en… Proyecto Punt 3 En el cual estamos trabajando actualmente. Estas herramientas ayudarán a los ingenieros a identificar los puntos de falla más probables y los parámetros clave para monitorear, e identificar ubicaciones ideales de sensores para recopilar la mayor cantidad de información con la menor cantidad de recursos.
También serán necesarias regulaciones para los sistemas de monitoreo de puentes, que actualmente se implementan de manera ad hoc. Se deben hacer más esfuerzos para desarrollar procesos automatizados y fáciles de usar para analizar datos de seguimiento, que siguen siendo altamente especializados. Los investigadores deberían colaborar con la industria de los puentes para difundir más estas prácticas.
Aprende de otros sectores
Los formuladores de políticas y la industria de puentes deberían aprender de sectores con estrictos requisitos de seguridad, incluido aerolínea Y los autos Industrias. Por ejemplo, mientras que un automóvil típico está equipado con más de 100 sensores y los aviones de pasajeros tienen hasta 10.000 sensores, la mayoría de los puentes no están monitoreados en absoluto.
La instalación y mantenimiento de sistemas de vigilancia en estos otros sectores está estandarizada y regulada; Los procedimientos y herramientas se optimizan y personalizan según las necesidades de la industria. Las certificaciones de seguridad y los protocolos de inspección para automóviles y aeronaves están bien armonizados a nivel internacional y la mayoría de los profesionales que trabajan en estas industrias reconocen la importancia de estas medidas. La industria de los puentes tiene un largo camino por recorrer antes de alcanzar este nivel de organización y claridad.
Superar estos desafíos de manera colaborativa ayudaría a reducir el riesgo de un colapso catastrófico del puente al nivel más bajo posible. Proteger nuestros puentes ayudará a construir una comunidad resiliente frente a un futuro incierto.