Losa ortótropa

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Los elementos de refuerzo pueden cumplir varias funciones simultáneamente. Mejoran la resistencia a flexión de la placa para permitir que soporte cargas puntuales (como el apoyo de la rueda de un vehículo) y distribuir dichas cargas a las vigas principales. También aumentan el área transversal total de acero en la placa, lo que puede aumentar su contribución a la capacidad de flexión total del tablero (es decir, la placa del tablero actúa como un elemento rigidizador situado sobre una viga cajón o un conjunto de perfiles en doble T). Finalmente, los refuerzos aumentan la resistencia de la placa al pandeo.

Los mismos efectos estructurales se aplican a las losas de hormigón en un puente mixto, pero el tablero ortótropo de acero es considerablemente más ligero y, por lo tanto, permite un diseño más eficiente de puentes de mayor luz.

El principal inconveniente de los tableros ortótropos se debe sobre todo a su costo de fabricación, debido a la cantidad de soldadura necesaria. Además, debe prefabricarse en lugar de ensamblarse in situ, lo que ofrece menor flexibilidad que los tableros de hormigón ejecutados en obra. Los tableros ortótropos han sido propensos a problemas de fatiga y a delaminación de la superficie de rodadura, que, al igual que el tablero, suele ser de un material muy delgado para reducir el peso.^[2]

Dado que una estructura más ligera tiene una menor masa térmica, se enfría más rápidamente (debido a las bajas temperaturas o al viento) y la condensación y el hielo se forman con mayor rapidez en su superficie, aunque también se calientan más rápidamente.

Una losa ortótropa consta de la placa del tablero, las nervaduras longitudinales soldadas a ella y las vigas transversales.

La placa del tablero puede tener un espesor de 10 a 15 mm,^[3] y está recubierta con una capa de firme asfáltico, que suele tener un espesor aproximado de 60 mm. Esta capa protege la placa del tablero de la corrosión y distribuye mejor las fuerzas del contacto de las ruedas del vehículo en la estructura. La placa del tablero actúa como elemento de fijación tanto para las nervaduras longitudinales como para las vigas transversales. Cuando se utiliza una losa ortótropa en un puente de acero de perfiles en T, la placa del tablero también sirve como ala superior para las vigas longitudinales.

Las nervaduras longitudinales suelen tener una sección transversal trapecial y están soldadas a la parte inferior de la placa del tablero mediante dos soldaduras. Suelen tener entre 6 y 10 mm de espesor y, junto con la placa del tablero, forman un recinto con un comportamiento resistente similar al de una viga cajón, reforzando la losa frente a la torsión. Las nervaduras longitudinales a veces presentan aberturas en su parte inferior, lo que permite el acceso a los pernos que unen los segmentos individuales del puente.

En lugar de las nervaduras trapezoidales, se han utilizado otros perfiles menos adecuados, principalmente para evitar problemas con las patentes. Las secciones transversales utilizadas fueron perfiles en U, en V o con forma de copa. Este último perfil requería cuatro veces más soldadura que los otros.^[4]

Originalmente, se utilizaban perfiles en I, L y T, en los que la placa del tablero y la nervadura longitudinal no formaban una cavidad cerrada. Estos diseños son más sensibles a la torsión que el diseño con nervaduras longitudinales cerradas, pero eran más fáciles de calcular. Además, la parte inferior de la placa de cubierta está menos protegida contra la corrosión, ya que, en comparación con las placas ortótropas con perfiles cerrados, dado que la superficie expuesta a la humedad del aire es mayor.

Las vigas transversales están dispuestas a intervalos de 1,5 a 2,5 m para las placas ortótropas con nervaduras abiertas y de 3 a 5 m para las de nervaduras cerradas. Tienen cortes para permitir el paso de las nervaduras, que están soldadas a las vigas transversales. Solo en la parte inferior de las nervaduras se omite a veces la soldadura, y el corte en esa zona está dimensionado para que la nervadura no se toque, evitando así las tensiones entre la nervadura y la viga transversal generadas por la flexión cuando la placa se deforma longitudinalmente.

Las vigas transversales soportan la placa superior transversalmente y, junto con las nervaduras longitudinales, forman una malla que aumenta la resistencia de la placa.

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Las primeras realizaciones de losas ortótropas se remontan a la década de 1920 en los Estados Unidos, cuando se utilizaron placas de acero rigidizadas con vigas de acero remachadas para la construcción de puentes móviles. En 1938, el American Institute for Steel Construction (AISC) publicó los primeros informes sobre una estructura denominada Battle Deck Floor, similar a la cubierta de un acorazado, que consistía en una losa de acero soportada por vigas en I.

Tras la Segunda Guerra Mundial, en 1948, la Corporación M.A.N. propuso un puente colgante con un tablero ortótropo de acero, elemento que había desarrollado ese mismo año el ingeniero alemán Dr. Wilhelm Cornelius. Cornelius ideó la teoría de la placa ortótropa para determinar las fuerzas internas y los desplazamientos de las superficies portantes, lo que permitió mejoras en las partes longitudinales y transversales.^[5]

La técnica se aplicó por primera vez en Alemania en el puente Deutzer, inaugurado en 1948, cuya superestructura consistía en una viga cajón de acero con un tablero ortótropo.^[6] En el puente de Mülheim, inaugurado en 1951, se utilizó por primera vez un tablero ortótropo con perfiles enT.^[7] Este diseño pionero fue seguido en 1954 por el puente del Weser en Porta Westfalica, un puente de viga cajón de acero con un tablero ortótropo.

El tablero ortótropo era más ligero que los diseños conocidos anteriormente. Esto ahorró materiales de construcción y peso, y permitió la construcción de puentes especialmente esbeltos con grandes vanos.

A finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, cuatro puentes de vigas cajón de acero con tableros ortótropos colapsaron durante su construcción: el puente Sur de Coblenza, el puente del Prater, el puente de Cleddau y el puente West Gate.^[8] La aparente conexión entre estos colapsos provocó una reacción exagerada en la comunidad de ingenieros y una evaluación muy crítica de estas estructuras. El tablero ortótropo no fue el responsable, y dos de los cuatro colapsos se debieron al uso de procedimientos inadecuados durante la construcción.^[9] Sin embargo, se hizo evidente que la construcción de puentes con tableros ortótropos es exigente y particularmente susceptible a errores en los detalles de diseño. Los primeros diseños solían utilizar placas de tablero demasiado delgadas.^[10]

Para aplicaciones generales, la construcción con tableros ortótropos ha sido sustituida por puentes de vigas de hormigón, cuya construcción es más rentable al eliminar las costosas soldaduras. Además, los puentes de hormigón pueden construirse in situ sin componentes prefabricados si es necesario. Los tableros ortótropos se utilizan actualmente solo en puentes donde el peso es un factor crítico, como puentes móviles o puentes atirantados y colgantes de gran longitud.

Los puentes antiguos con tableros ortótropos a menudo ya no soportan el aumento de las cargas de tráfico y requieren una renovación exhaustiva. Una opción de renovación es aplicar una nueva superficie de rodadura que distribuya las cargas de forma más eficaz en el tablero ortótropo y proporcione rigidez adicional.

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Existen miles de puentes con tableros ortótropos en todo el mundo. A pesar de los ahorros y las ventajas (se puede ahorrar hasta un 25% de la masa total del puente reduciendo el peso del tablero, ya que esta reducción de peso se extiende a cables, torres, pilares, anclajes y otros elementos), en Estados Unidos solo hay unos 60 tableros de este tipo en uso. Aproximadamente el 25% de los puentes ortótropos de Estados Unidos se encuentran en California, incluyendo el puente San Mateo-Hayward, uno de los primeros puentes importantes del país construido con un tablero ortótropo.

Algunos puentes de gran tamaño soportados por cables, además de los de luz récord actuales (puentes atirantados y colgantes), no serían viables sin tableros ortótropos de acero. Los puentes de viga cajón más largos o de luz récord, los puentes pórtico, los puentes en arco superior, los puentes móviles y dos puentes flotantes noruegos, utilizan tableros ortótropos.

El viaducto de Millau, un puente atirantado en localizado en Millau, Francia, tiene la mayor superficie de tablero ortótropo de acero que cualquier otro puente. El menor peso bruto total de la superestructura permitió el lanzamiento desde ambos extremos de la estructura.

El tablero ortótropo del puente del estrecho de Akashi permitió a los ingenieros japoneses construir el vano más largo en su momento, con una longitud de aproximadamente 6000 pies (1828,8 m), un 50 % más largo que el Golden Gate.

Los tableros ortótropos permiten disponer un canto muy reducido, lo que minimiza la inclinación de las pendientes de aproximación y, por consiguiente, sus costes. Esta forma también se utiliza ampliamente en los puentes basculantes y en otros tipos de puentes móviles, donde se pueden lograr ahorros significativos en el coste de los elementos mecánicos al utilizar un tablero más ligero. El puente El Ferdan, que cruza el canal de Suez en Egipto, es el puente giratorio más largo del mundo. El Erasmusbrug cuenta con un tablero ortótropo tanto para su puente atirantado como para su tramo basculante. El puente Danziger de Nueva Orleans, un puente de elevación vertical de gran tamaño, es otro ejemplo del uso de un tablero ortótropo.

El enlace a través del puerto de Bombái, también llamado Atal Setu, fue el primer puente ortótropo con tablero de acero de la India.

Es posible reacondicionar un puente diseñado originalmente con un tablero de hormigón o no estructural, con el fin de utilizar un tablero ortótropo más ligero, lo que se ha hecho para preservar o prolongar la vida útil de puentes clave o emblemáticos en todo el mundo.

Esta solución se utilizó por primera vez en Norteamérica en 1975, en el puente de Lions Gate, en Vancouver, que se había completado en 1938 con un diseño excepcionalmente ligero. El tablero original de hormigón del Viaducto Norte de 670 m (732,7 yd) de longitud del puente de Lions Gate fue reemplazado por un tablero ortótropo más ligero y ancho, realizado en secciones mediante una serie de cierres cortos del tráfico rodado en el puente.^[11]

Las losas ortótropas colocadas por encima permitiron que el puente del Tamar permaneciese abierto mientras se reemplazaba la cubierta principal en 1999. Entre 2000 y 2001 se llevó a cabo una ambiciosa sustitución del tablero original por una losa ortótropa de toda la estructura suspendida original de la sección principal del puente de Lions Gate, que se completó sin interrupción del tráfico en hora punta. Esto permitió que el puente de 63 años, que no estaba diseñado para ser duradero, tuviera una nueva vida.^[12]

Otro ejemplo notable, el puente Golden Gate de San Francisco, completado en 1937, utilizaba originalmente un tablero de hormigón armado. La sal transportada por la niebla y la neblina alcanzó al acero corrugado, causando su corrosión y el astillado del hormigón. Entre 1982 y 1986, la cubierta original del puente, en 747 secciones, se sustituyó por paneles ortótropos de acero más ligeros y resistentes durante 401 noches, sin necesidad de cerrar completamente la calzada al tráfico.^[13] El proyecto no solo restauró el puente a su estado óptimo, sino que también redujo el peso del tablero en 12.300 toneladas.

Algunos puentes con tableros ortótropos

Nombre	Localización	País	Año de finalización	Imagen	Comentario
Puente del estrecho de Akashi	Awaji (Hyōgo) y Kōbe	Japón Japón	1998		Puente colgante más largo del mundo cuando se inauguró
Viaducto de Millau	Millau (Aveyron)	Francia	2004		Puente atirantado con el tablero ortótropo de carretera más grande del mundo en términos de área
Puente Gustave Flaubert	Ruan	Francia	2008		Puente de elevación vertical a la entrada del puerto de Ruan
Puente Golden Gate	San Francisco (California)	Estados Unidos	1937 (1986)		Ejemplo de un puente cuyo tablero de carretera existente fue reemplazado por una losa ortótropa de carretera para aligerar la estructura
Puente de Nordhordland	Vestland	Noruega Noruega	1994		Puente atirantado combinado con un puente de barcas
Puente de Mülheim	Colonia (Alemania)	Alemania Alemania	1951		El primer puente de Alemania con tablero ortótropo
Puente Theodor Heuss	Düsseldorf	Alemania Alemania	1957		Conjunto de puentes de Düsseldorf, con el primer puente atirantado de Alemania
Puente del Weser en la Porta Westfalica	Porta Westfalica	Alemania Alemania	1954		El primer puente de vigas cajón de acero de Europa con tablero ortótropo y, una vez finalizado, la superestructura de acero totalmente soldada más grande de Europa (demolido en 1995).
Puente Europa	Cerca de Innsbruck	Austria Austria	1963
Puente de San Alban	Basilea	Suiza Suiza	1955		Demolido en 1973 y reemplazado por el puente de la Selva Negra

• Tablero (construcción)
• Puente metálico