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Comparative Assessment of Wind and Seismic Actions on Steel Girder Bridges in Low-Seismicity Regions: A Parametric Study Applied to Senegal

Este estudio paramétrico de puentes de vigas de acero en Dakar, Senegal, revela que mientras las acciones sísmicas gobiernan las demandas basadas en fuerza y los desplazamientos longitudinales, las cargas de viento controlan los desplazamientos transversales de los pilares para pilares más altos, demostrando que ambas acciones son críticas y que su predominancia depende del parámetro de demanda de ingeniería específico y de la altura del pilar.

Autores originales: Thierno Mouhamadou Samassa Ly

Publicado 2026-09-10✓ Author reviewed ⓘ

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CC BY 4.0

Autores originales: Thierno Mouhamadou Samassa Ly

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Los puentes son las arterias silenciosas de la vida moderna, transportando personas y mercancías a través de ríos y valles, pero existen en un constante e invisible tira y afloja con el mundo natural. Dos de las fuerzas más poderosas que los ingenieros deben tener en cuenta son el viento y el movimiento del suelo durante un terremoto. En muchas partes del mundo, una de estas fuerzas es tan dominante que dicta cómo se construye un puente, mientras que la otra es una preocupación menor. Sin embargo, en regiones donde el suelo es relativamente estable pero los vientos son feroces, surge una pregunta difícil: ¿qué fuerza gana realmente? Esto no es solo una cuestión de curiosidad académica; es un dilema práctico para los ingenieros que diseñan infraestructuras en lugares como África Occidental, donde el riesgo de un terremoto importante es bajo pero los vientos costeros son fuertes. Si un ingeniero diseña un puente para resistir el viento pero ignora el terremoto, la estructura podría fallar durante un temblor poco común. Por el contrario, si sobrediseña para un terremoto que rara vez ocurre, podría desperdiciar recursos o, lo que es más peligroso, pasar por alto el hecho de que el viento es en realidad la mayor amenaza para la estabilidad del puente.

En un estudio reciente centrado en Senegal, los investigadores se propusieron resolver este rompecabezas específico para puentes de vigas de acero, un tipo de estructura común utilizada para carreteras en la región. Se plantearon una pregunta directa: para un puente en Dakar, ¿es el movimiento de la tierra o el empuje del viento lo que determina el diseño final? Para encontrar la respuesta, construyeron una serie de modelos digitales que representaban puentes con diferentes longitudes de tramo y alturas de pilares, simulando cómo reaccionaría cada uno ante las velocidades de viento y los riesgos sísmicos específicos de Senegal. El estudio reveló una verdad sorprendente y matizada: la respuesta depende enteramente de qué parte del puente se esté observando y de cómo se mida el estrés.

Los investigadores examinaron doce configuraciones de puentes diferentes, variando la longitud de los tramos del puente de 25 a 45 metros y la altura de los pilares de soporte de 5 a 16 metros. Calcularon las fuerzas y movimientos que cada puente experimentaría bajo el peor escenario de viento y el peor escenario de terremoto para la región. Los resultados mostraron que para la resistencia del puente —específicamente las fuerzas que intentan romper o doblar la base de los pilares— el terremoto es siempre el jefe. Aunque el movimiento del suelo en Senegal es leve, las fuerzas sísmicas fueron consistentemente más fuertes que las fuerzas del viento en cada uno de los modelos probados. Esto significa que, si un ingeniero diseñara el puente basándose únicamente en los cálculos del viento, los pilares podrían ser demasiado débiles para sobrevivir a un terremoto, incluso a uno moderado.

Sin embargo, la historia cambia completamente cuando se observa cuánto se mueve la parte superior del puente. En diez de los doce modelos de puentes, el viento fue la fuerza dominante, empujando la parte superior de los pilares más allá de lo que el terremoto podría hacerlo. Esta es una distinción crítica porque un puente puede ser lo suficientemente fuerte como para no romperse, pero aun así fallar si se balancea demasiado, dañando potencialmente la superficie de la carretera o las juntas que permiten que el puente se expanda y se contraiga. El estudio encontró que para pilares más altos, la capacidad del viento para empujar la estructura lateralmente crece mucho más rápido que la capacidad del terremoto para sacudirla. De hecho, para puentes con tramos de 45 metros, el viento controlaba el movimiento independientemente de cuán altos fueran los pilares. Para puentes más cortos, el viento solo tomaba el control una vez que los pilares alcanzaban cierta altura, aproximadamente entre los 5 y 8 metros.

Este hallazgo desafía una suposición común en la ingeniería de que una zona de bajo riesgo sísmico permite ignorar los terremotos. En los Estados Unidos, por ejemplo, los códigos de construcción a menudo permiten que los ingenieros omitan cálculos detallados de terremotos en áreas con un riesgo sísmico muy bajo, asumiendo que el viento es la única amenaza real. El estudio de Senegal sugiere que para los puentes, este atajo es peligroso. Incluso en una región con una baja probabilidad de terremotos, las fuerzas de sacudida siguen siendo lo suficientemente fuertes como para dictar la resistencia de la cimentación del puente. Al mismo tiempo, el viento es lo suficientemente fuerte como para dictar cuánto se balancea el puente.

Los investigadores concluyeron que los ingenieros en Senegal, y en regiones similares de todo el mundo, no pueden simplemente elegir un peligro e ignorar el otro. Deben diseñar el puente para que sea lo suficientemente fuerte como para resistir el terremoto, asegurando simultáneamente que sea lo suficientemente rígido para resistir el viento. Las dos fuerzas gobiernan diferentes aspectos del diseño, y ninguna puede inferirse de la otra. Esto significa que un puente que parece perfecto contra el viento podría colapsar en un terremoto, y un puente construido para sobrevivir a un terremoto podría balancearse tan violentamente con el viento que se vuelva inutilizable. El estudio proporciona un mapa claro para los diseñadores, mostrando exactamente dónde cambia el equilibrio según la altura de los pilares y la longitud de los tramos, asegurando que la próxima generación de puentes en África Occidental esté segura tanto del suelo debajo como del aire arriba.

Resumen Técnico: Evaluación Comparativa de las Acciones de Viento y Sísmicas en Puentes de Vigas de Acero en Regiones de Baja Sismicidad

Planteamiento del Problema
El diseño de puentes en regiones caracterizadas por baja sismicidad pero altas velocidades de viento costero, como Senegal, presenta un desafío de ingeniería específico: determinar qué peligro lateral gobierna el diseño y para qué estado límite. Mientras que Senegal enfrenta cargas de viento significativas (velocidad básica de hasta 42 m/s) y una sismicidad de baja a moderada (PGA ~0.05 g), carece de un código nacional de diseño sísmico, basándose en su lugar en los marcos de los Eurocódigos. La literatura existente se ha centrado mayoritmente en la vulnerabilidad sísmica de forma aislada o en comparaciones entre viento y sismo para estructuras de gran luz o de cables, dejando un vacío en la comprensión de cómo compiten las acciones de viento y sismo en puentes ordinarios de vigas de acero, específicamente en si la acción gobernante es uniforme en todos los parámetros de demanda de ingeniería (EDP) o si depende del parámetro específico (fuerza frente a desplazamiento) y de la geometría estructural (longitud del vano y altura del pilar).

Metodología
El estudio emplea un análisis de elementos finitos paramétrico de doce modelos de puentes continuos de vigas mixtas de acero y hormigón de tres vanos. Los modelos varían a través de tres longitudes de vano central (25, 35 y 45 m) y cuatro alturas de pilar (5, 8, 12 y 16 m).

Software y Modelado: Los modelos fueron generados y analizados en SAP2000 utilizando la Interfaz de Programación de Aplicaciones Abierta (OAPI). La superestructura se modeló como una viga de columna (spine beam) y los pilares como elementos de marco con rigidez fisurada (0.5 $I_g$ ) para simular el comportamiento del hormigón armado.
Carga Sísmica: Se aplicaron las disposiciones de la Eurocodigo 8 (EN 1998-2) utilizando un espectro de respuesta elástico Tipo 2 para un PGA de referencia de 0.05 g en el Tipo de Suelo B. Se utilizó un factor de comportamiento ( $q$ ) de 1.5. Las demandas sísmicas se derivaron mediante el análisis de espectro de respuesta modal (20 modos, combinación CQC).
Carga de Viento: Se aplicaron procedimientos estáticos equivalentes de la Eurocodigo 1-4 (EN 1991-1-4) para una velocidad de viento básica de 42 m/s (Categoría de Terreno II).
Métricas Comparativas: El estudio evalúa relaciones adimensionales sísmico-viento para tres EDP en la base del pilar: cortante basal ( $R_V$ ), momento basal ( $R_M$ ) y desplazamiento en la parte superior del pilar ( $R_\delta$ ). Crucialmente, los desplazamientos sísmicos fueron amplificados por el factor de ductilidad de desplazamiento ( $\mu_d$ ) según la EN 1998-2 para asegurar una comparación de nivel de diseño consistente con los desplazamientos de viento factorizados.

Contribuciones Clave

Primera Comparación Cuantitativa para África Occidental: Este trabajo proporciona la primera comparación sistemática viento-sismo para subestructuras de puentes en el contexto de África Occidental, donde una baja PGA coincide con altas velocidades de viento.
Gobernanza Dependiente de los EDP: El estudio demuestra que la gobernancia no es uniforme; depende del parámetro de demanda de ingeniería específico. Las demandas basadas en fuerza y en desplazamiento dentro de una misma estructura son controladas por diferentes peligros.
Identificación de Umbrales Geométricos: La investigación identifica que el límite donde el viento gobierna el desplazamiento sobre la acción sísmica se encuentra dentro del rango de un diseño práctico ordinario (específicamente relacionado con la altura del pilar), en lugar de existir solo en geometrías extremas.

Resultados

EDP Basados en Fuerza (Cortante y Momento): Las acciones sísmicas gobiernan el diseño tanto para el cortante basal ( $R_V$ ) como para el momento basal ( $R_M$ ) en las doce configuraciones. Las relaciones oscilan entre $R_V = 1.14$ a $1.71 $y$ R_M = 1.22 $a$ 2.26$. Incluso con la sismicidad más baja considerada (0.05 g), las fuerzas sísmicas exceden las fuerzas de viento por un margen significativo, contradiciendo la intuición de que una baja sismicidad implica el dominio del viento para el diseño de resistencia.
EDP Basados en Desplazamiento: Las acciones de viento gobiernan el desplazamiento transversal en la parte superior del pilar en diez de las doce configuraciones ( $R_\delta < 1.0$ ). Las dos excepciones son las configuraciones más rígidas (pilares de 5 m en vanos de 25 m y 35 m), donde el desplazamiento sísmico gobierna ( $R_\delta > 1.0$ ).
Tendencias Paramétricas:
- Altura del Pilar: A medida que aumenta la altura del pilar, las relaciones de fuerza sísmica-viento disminuyen (acercándose a la unidad) debido a que la elongación del periodo reduce la aceleración espectral. Por el contrario, la relación de desplazamiento ( $R_\delta$ ) cae drásticamente a medida que aumenta la altura del pilar porque el desplazamiento por viento escala cúbicamente con la altura, mientras que el desplazamiento sísmico escala de forma más lineal.
- Longitud del Vano: Los vanos más largos aumentan las relaciones de fuerza sísmica-viento (debido al aumento de la masa sísmica) pero disminuyen la relación de desplazamiento (debido al mayor área expuesta al viento y a las vigas más profundas).
- Dirección Longitudinal: Las acciones sísmicas gobiernan todos los EDP en la dirección longitudinal sin excepción, ya que las fuerzas de viento en el tablero son insignificantes y los desplazamientos sísmicos exceden los desplazamientos de viento por factores de 8.4 a 81.8.
Rol Crítico de la Amplificación: El estudio destaca que omitir el factor de amplificación de desplazamiento sísmico ( $\mu_d$ ) subestimaría los desplazamientos sísmicos en al menos 1.5, lo que podría clasificar erróneamente la acción gobernante en varias configuraciones.

Significancia e Implicaciones de Diseño
El artículo concluye que para puentes de vigas de acero en regiones de alta velocidad de viento y baja sismicidad como Senegal, no se puede omitir ni la verificación de viento ni la de sismo basándose en la otra.

Diseño de Resistencia: Los ingenieros deben esperar que las acciones sísmicas gobiernen el cortante basal y el momento para pilares de hasta 16 m de altura y vanos de hasta 4s m. Esto contrasta con marcos como AASHTO LRFD (Zona 1), que podrían eximir a tales estructuras de un análisis sísmico por completo.
Diseño de Servicio/Desplazamiento: Es probable que las acciones de viento gobiernen las verificaciones de desplazamiento transversal para pilares de más de aproximadamente 8 m de altura, o para cualquier altura de pilar con vanos de 45 m.
Práctica: Los hallazgos sugieren que los diseñadores deben realizar tanto las verificaciones sísmicas de Eurocódigo 8 como las de viento de Eurocódigo 1-4. El peligro gobernante no es una propiedad exclusiva del sitio, sino que es una función del estado límite específico (resistencia frente a servicio) y de la geometría estructural. El estudio proporciona una base para la toma de decisiones informadas en regiones que carecen de códigos nacionales, yendo más allá de las suposiciones por defecto hacia una evaluación cuantitativa de los peligros competitivos.

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