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El uso de UHPC en puentes en Estados Unidos

Bridges where UHPC has been used in USA

¡Buenos días a todos! 

Hoy me gustaría hablar de los avances en el uso de UHPC en los Estados Unidos (US). Lo voy a hacer centrándome en el sector que más ha crecido en la última década, que es el de las aplicaciones en puentes para incrementar su vida útil y minimizar los costes de mantenimiento.

Este tipo de aplicaciones se generalizó previamente en Suiza con el mismo objetivo, aumentando la durabilidad de las estructuras frente a sales fundentes (en [1] se describe las más de 250 aplicaciones realizadas en el país desde 2003). En el resto de Europa, todavía hoy en día el uso del UHPC sigue bastante focalizado en aplicaciones arquitectónicas, salvo algunas excepciones, como los balcones ligeros de alta durabilidad de la empresa Hi-Con en Dinamarca o las estructuras flotantes para acuicultura y energía solar flotante producidas por PREFFOR.

Applications with UHPC in bridges in Switzerland to minimize maintenance costs
Figura 1. Aplicaciones con UHPC en puentes en Suiza para reducir gastos de mantenimiento [1]

El uso del UHPC en puentes en US comienza en 2001, cuando la Federal Highway Administration (FHWA) inició un programa de investigación e innovación dentro de su iniciativa The bridge of the future para entender las aplicaciones óptimas del UHPC en puentes. La mayor compilación de resultados de este trabajo puede encontrarse en el documento “Ultra-High Performance Concrete: A State-of-the-Art Report for the Bridge Community” (Publication nº FHWA-HRT-13-060, June 2013).

Actualmente muchas investigaciones continúan en curso, y la FHWA trata de promover el uso del UHPC y destacar sus ventajas, como muestra este video elaborado por la propia FHWA para explicar su potencial en las infraestructuras. Este link de la administración muestra un mapa interactivo con los puentes en los que se ha utilizado el UHPC. Los colores indican el año de instalación (está actualizado hasta 2020).

Map of USA Bridges where UHPC has been used
Figura 2. Puentes en los que se ha utilizado UHPC
Number of structures with UHPC made in the US per year
número de estructuras con UHPC ejecutadas por año en US [2]

Hasta la fecha de actualización de este registro (2020) se ha utilizado UHPC en 350 estructuras. Hoy en día el número sigue aumentando de manera exponencial, creciendo en mayor medida la ejecución de capas delgadas de UHPC para tableros (overlays). Esta es una de las cuatro tipologías de aplicación que se han realizado en puentes en US y que se describen en las líneas inferiores:

  1. Juntas entre elementos prefabricados de tableros

La aplicación que más se ha extendido (probablemente por su sencillez) es la de ejecución de las juntas entre elementos prefabricados con UHPC. La ventaja de usar el UHPC en estas es que aportan una elevada resistencia a la fatiga, muy buena resistencia a abrasión e impacto, alta resistencia a la corrosión y permite minimizar las longitudes de anclaje por su elevada adherencia a la matriz de hormigón. La Nota Técnica “Design and Construciton of field-cast UHPC Connections” (FHWA Publication No: FHWA-HRT-14-084) explica fielmente y con detalle estas aplicaciones, con ejemplos de utilización en varios puentes.

  1. Elementos prefabricados estructurales de UHPC (vigas, pilas, etc)

En US se han realizado pocas aplicaciones en las que el elemento estructural completo sea de UHPC. Estas se han concentrado en Iowa, Florida y Virginia (se pueden ver en las figuras inferiores, extraídas de la https://highways.dot.gov). Existen tres posibles razones para que las estructuras completamente realizadas con UHPC no se hayan desarrollado más: 1) La opción de reparar con UHPC, cuando es viable, requiere una inversión mucho menor. 2) Aún no existe todavía un código estructural de UHPC a nivel nacional, lo que implica que el ingeniero no dispone de herramientas específicas para el cálculo. 3) Al no haberse extendido esta tecnología en el país, no hay una curva de experiencia que permita que el ingeniero diseñe eficientemente, con lo que es difícil que las soluciones propuestas puedan competir.

Bridge with double T girders installed in Virginia
Figura 4. Puente de vigas doble T de UHPC ejecutado en Virginia [2]
Un puente sobre el agua

Descripción generada automáticamente
First UHPC bridge installed in US: Wapello Bridge, Iowa, 2006. Span of 33 m
Figura 5. Primer puente de UHPC en US: Wapello Bridge, Iowa, 2006. Luces de 33 m [2]
Precast prestressed UHPC “pi”-shape beams. Iowa, 2011
Figura 6. Vigas de UHPC prefabricadas pretensadas tipo pi. Iowa, 2011 [2]
Prefabricated bidirectional UHPC deck in a road bridge (Iowa, 2011)
Figura 7. Tablero prefabricado bidireccional realizado con UHPC en un puente en Iowa (2011). Las juntas también se ejecutaron con UHPC [2]

3. Capa superior de tableros de puentes con UHPC

Esta aplicación es la que en la actualidad se encuentra en una fase de mayor crecimiento, si bien hasta 2020 se había realizado en no más de una veintena de puentes. La aplicación se trata de rehabilitar puentes mediante la ejecución de una capa fina de UHPC (overlays) sobre el tablero existente, creando una capa ligera, duradera y de mantenimiento mínimo. Estas capas miden entre 25 y 50 mm, y es la misma solución que se ha usado con mucho éxito en Suiza desde el año 2003 para minimizar el mantenimiento de las estructuras en zonas frías.

La Nota Técnica “Ultra-High Performance Concrete for Bridge Deck Overlays” (FHWA Publication No: FHWA-HRT-17-097) explica con detalle en qué consiste esta aplicación. Las imágenes inferiores muestran algunas imágenes del proceso de ejecución de esta aplicación. Las figuras inferiores muestran este tipo de aplicación realizada en puentes en Iowa y Delaware ejecutadas en 2016 y 2017 respectivamente.

Pouring of UHPC in fresh state
Figura 10. Vertido de UHPC en estado fresco [2]
Protection for the curing of UHPC layer during the execution
Figura 12. Protección para el curado del UHPC con el avance en continuo del vertido [2]

4. Reparación y mantenimiento con UHPC (exceptuando las overlays)

En algunos puentes el UHPC se ha utilizado para reparaciones localizadas. Este video de la FHWA resume brevemente algunas de las reparaciones que se pueden afrontar con UHPC en puentes. Estas propuestas se realizan porque son más eficientes en costes que la sustitución completa de la infraestructura.

Algunas de las reparaciones que más se han realizado son las de las cabezas de las vigas, reparaciones de juntas de expansión, de juntas constructivas, reparaciones de pilas/columnas o encamisados de las mismas con UHPC. Una de las reparaciones a la que más se está recurriendo es a la sustitución de juntas de puentes por losas localizadas de UHPC.

Estado de la normativa

Pese al progreso notable en el uso de UHPC en US en los últimos años, todavía no hay un código nacional. Actualmente las infraestructuras de transporte (como los puentes) se diseñan de acuerdo con la AASHTO LRFD Bridge Design Specification (AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials), mientras que los edificios se diseñan de acuerdo con la ACI 318. Si bien la ACI está comenzando ahora a considerar realizar una guía de diseño con UHPC, la AASHTO ha avanzado ya notablemente en este sentido. El grupo de trabajo de la FHWA (en este link se puede encontrar un listado de sus publicaciones), liderado por el Dr. Benjamin Graybeal, ha elaborado un borrador (draft) de guía de diseño estructural con UHPC que está siendo evaluado por la AASHTO para su posible aceptación como guía de diseño estructural de cara a finales de 2023. 

Además, con el apoyo de la FHWA, la ASTM (American Society for Testing and Material) logró lanzar un nuevo estándar para la fabricación y ensayo de elementos de UHPC (ASTM C1856/C1856M, 2017), para materiales con fibras (de acero o no), y aplicable a hormigones de al menos 120 MPa con árido inferior a 5 mm.

Por su parte, en 2012, el American Concrete Institute (ACI), comenzó a trabajar en el Comité ACI 239-UHPC para definir este material. En el año 2018 este organismo publicó el documento ACI-239R-18 “Ultra-High Performance Concrete: An Emerging Technology Report”, con información y recomendaciones para promover su uso en Norteamérica.

Evolución del mercado

A juzgar por la proliferación de empresas dedicadas a la instalación de capas delgadas de UHPC en infraestructuras, el mercado está entendiendo la excelente relación entre coste y rendimiento de esta solución. Esto está favoreciendo la democratización de esta tecnología y el crecimiento del mercado. Hay tres motivos principales que explican que se esté generalizando su uso:

  1. Al igual que ha sucedido en España, el paso del tiempo desde las primeras obras (2006) ha sido la prueba real y más veraz de la durabilidad de estas soluciones, lo que está aportando la confianza que el mercado necesitaba en esta tecnología. 
  2. La FHWA se está encargando de difundir e informar sobre las bondades de estas soluciones y sobre el ahorro económico a medio y largo plazo.
  3. La subida de los precios del acero invita a decidirse por utilizar el UHPC.

La construcción de infraestructuras prefabricadas de UHPC se encuentra en un estado más embrionario. Esto no se debe a que no sean competitivas a medio/largo plazo (o incluso contabilizando solo la inversión inicial), sino a que las empresas locales no tienen experiencia en este tipo de piezas y no son capaces de optimizar una solución que compita con alternativas cuya producción industrial está muy madura.

  1. Conclusión

Con un apoyo significativo por parte de la FHWA (Federal Highway Administration), el uso de soluciones con UHPC en puentes de carretera y ferrocarril en US está aumentando, particularmente el de las reparaciones con capas delgadas de UHPC sobre tableros existentes (overlays) y el de las juntas entre elementos prefabricados. En mucha menor medida se han realizado elementos prefabricados de UHPC (principalmente en Iowa), pero estos desarrollos requieren de una adquisición progresiva de experiencia por parte de los ingenieros y de una guía a nivel nacional, que se espera para finales de 2023. 

El crecimiento de las aplicaciones muestra que conocer y controlar la tecnología del UHPC en el futuro será necesario en US, pues es la aproximación más recomendada para garantizar mantenimiento casi nulo. En la mayoría de los casos no será el material más masivo, pero sí se utilizará estratégicamente para aportar mucho valor con inversiones limitadas, tal y como se ha venido haciendo con éxito en Suiza desde el 2003.

  1. Biblografía

[1] Bertola, Numa & Schiltz, Philippe & Denarié, Emmanuel & Brühwiler, Eugen. (2021). A Review of the Use of UHPFRC in Bridge Rehabilitation and New Construction in Switzerland. Frontiers in Built Environment. 7. 769686. 10.3389/fbuil.2021.769686.

[2] https://highways.dot.gov/

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