Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

Cuando el suelo se sacude durante un terremoto, el suelo bajo nuestros pies puede, en ocasiones, perder su resistencia y convertirse en una mezcla espesa y fluida similar a un lodo. Este fenómeno, conocido como licuefacción, es una amenaza silenciosa para los cimientos de los puentes. A diferencia del terreno sólido que mantiene una estructura firmemente en su lugar, el suelo licuado ofrece poca resistencia, permitiendo que los pilotes —las columnas profundas que anclan un puente— se hundan, se inclinen o se rompan bajo el peso superior. Esto es particularmente peligroso para un tipo específico de puente llamado puente de estribo integral. Estas estructuras se construyen como un armazón único y continuo sin las juntas de expansión que se encuentran en los puentes más antiguos, lo que les permite moverse más naturalmente con los cambios de temperatura. Sin embargo, este diseño sin costuras significa que la plataforma del puente está conectada rígidamente a los pilotes, transfiriendo cada fragmento de energía sísmica directamente a la cimentación. Si el suelo se licúa, el puente pierde su agarre y los pilotes deben absorber toda la fuerza del temblor sin romperse.

La pregunta que enfrentan los ingenieros no es solo cómo construir estos puentes, sino cómo construirlos para que sobrevivan a diferentes tipos de terremotos. Los terremotos no son todos iguales; algunos ocurren cerca de la falla, enviando pulsos de energía potentes y repentinos que pueden tomar desprevenidas a las estructuras, mientras que otros ocurren lejos, entregando un sacudimiento más largo y ondulante. Los investigadores querían saber cómo la elección del material y la forma del pilote afecta la supervivencia de un puente cuando el suelo se convierte en líquido bajo ambos tipos de sacudidas. Para encontrar la respuesta, un equipo de ingenieros de universidades de China y Afganistán creó una simulación computacional detallada de un puente de un solo vano. Modelaron el puente asentado sobre seis tipos diferentes de pilotes: cilindros de concreto grandes y pequeños, tubos de acero, vigas de acero orientadas en diferentes direcciones y un diseño híbrido donde se vierte concreto dentro de un tubo de acero. Luego sometieron a los puentes virtuales a diez movimientos sísmicos registrados, la mitad de eventos de falla cercana y la mitad de eventos de falla lejana, mientras simulaban que el suelo se convertía en un fluido.

Los resultados revelaron que la mejor elección para un pilote depende en gran medida del tipo de terremoto y del material utilizado. Cuando el suelo se sacude con los pulsos bruscos y violentos de un terremoto de falla cercana, los pilotes de concreto rígidos, especialmente los más grandes, tendieron a doblarse y agrietarse más que las opciones de acero. El concreto, al ser rígido, no pudo absorber el sacudón repentino tan bien, lo que provocó mayores tensiones en la estructura. En contraste, cuando el temblor provenía de una fuente distante, los pilotes de acero experimentaron mayor movimiento y tensión que los de concreto. Esto sugiere que la flexibilidad natural del acero, que usualmente ayuda a su supervivencia, a veces puede jugar en su contra durante las ondas más lentas y ondulantes de un sismo de falla lejana. Sin embargo, un diseño destacó como el más resiliente en todos los aspectos: el tubo de acero relleno de concreto. Este pilote híbrido combinó la resistencia del concreto con la flexibilidad del acero, permitiéndole manejar el estrés de ambos tipos de terremotos con una notable consistencia.

El estudio también analizó cuánto se movió el propio puente. Las simulaciones mostraron que los puentes soportados por tubos de acero rellenos de concreto se movieron menos que aquellos sobre pilotes de acero puro, y el movimiento fue casi el mismo independientemente de si el terremoto era cercano o lejano. Esta estabilidad es crucial porque el movimiento excesivo puede dañar la superficie de la carretera o las conexiones con la autopista. Los investigadores encontraron que, si bien los pilotes de acero eran fuertes, eran más propensos al pandeo —un tipo de colapso estructural donde la columna se dobla fuera de su forma—, especialmente cuando el suelo perdía su agarre. Los tubos rellenos de concreto, por el contrario, lograron doblarse y estirarse sin fallar, disipando eficazmente la energía del terremoto.

Para los ingenieros que diseñan puentes en zonas propensas a la licuefacción, estos hallazgos ofrecen un camino claro a seguir. El estudio sugiere que el uso de tubos de acero rellenos de concreto es la opción más confiable para los puentes de estribo integral, ya que proporcionan un equilibrio entre resistencia y flexibilidad que protege la estructura tanto de choques repentinos de corto alcance como de temblores ondulantes distantes. Si se deben usar vigas de acero en su lugar, la investigación indica que las áreas de alta tensión donde el pilote se encuentra con el suelo necesitan refuerzo adicional para evitar fallas. Al elegir el material de cimentación adecuado, los ingenieros pueden asegurar que, incluso cuando el suelo bajo sus pies se convierta en líquido, el puente superior permanezca en pie.