El 5 de abril de 1987, durante una crecida de primavera del Schoharie Creek, la pila 3 del puente de la New York State Thruway perdió apoyo por socavación y dos vanos cayeron al río, seguidos noventa minutos después por la pila 2 y un tercer vano. Murieron diez personas. En los años anteriores, el relleno alrededor de la pila 3 se había erosionado poco a poco y había sido reemplazado por depósitos del río, así que la cimentación perdía protección mientras el lecho parecía igual. Como consecuencia, en 1988 la FHWA exigió evaluar la vulnerabilidad a la socavación de todos los puentes sobre cursos de agua.

La socavación sigue siendo la principal causa de falla de puentes en Estados Unidos. Wardhana y Hadipriono estudiaron más de 500 fallas ocurridas entre 1989 y 2000 y atribuyeron casi el 53% a crecidas y socavación. Aun así, el monitoreo de la socavación todavía depende sobre todo de la inspección subacuática y de la visita después de la crecida, y ninguna de las dos ocurre mientras el río está en su pico.

La socavación después de la crecida

Entre los ingenieros hidráulicos es bien sabido que las fosas de socavación se rellenan. Durante la crecida el agua remueve material alrededor de la pila, y cuando la corriente disminuye vuelve a depositar sedimentos en la fosa. Así que el lecho que un inspector mide después de la crecida no es el lecho que sostenía la pila en el pico.

Entre 1996 y 1998 el USGS usó georradar en puentes de New Hampshire antes y después de crecidas, y encontró fosas de socavación rellenadas en siete secciones, con rellenos de menos de 30 cm hasta unos 1.2 m. Los autores señalaron que una varilla de acero y un martillo, herramientas todavía comunes después de las crecidas, apenas detectaban el relleno en lechos de cantos rodados o en aguas profundas.

Una fosa rellenada no significa que la cimentación haya recuperado su apoyo, sino que las huellas del apoyo perdido quedaron cubiertas. El relleno suelto no soporta carga como el lecho original, y se remueve con la siguiente crecida. Las inspecciones subacuáticas de rutina tampoco están más cerca del evento, ya que según las NBIS los buzos inspeccionan los elementos sumergidos con intervalos de hasta 60 meses.

Puentes scour critical y planes de acción

Según las NBIS, los gestores deben identificar los puentes scour critical, es decir, vulnerables a la socavación, codificados de 0 a 3 en el Item 113 del NBI (U para cimentaciones desconocidas, que suelen seguir el mismo proceso), y preparar un plan de acción para cada uno. En muchos estados el umbral del plan es una alerta de crecida del National Weather Service o un nivel en una estación hidrométrica cercana. En ese momento los inspectores van al puente, buscan escombros, asentamientos y movimientos visibles, y lo cierran si se cumplen las condiciones del plan.

Esto funciona para los puentes que ya se sabe que están en riesgo, pero las fallas hidráulicas también ocurren en otros. Un análisis retrospectivo publicado en el ASCE Journal of Performance of Constructed Facilities examinó 239 fallas hidráulicas, el 55% de todas las fallas de su base de datos. Entre los puentes colapsados con una evaluación de socavación, solo el 17% estaba clasificado como scour critical antes del colapso, mientras que el 83% estaba clasificado como estable. Los autores también encontraron que la calificación de condición de la subestructura era un mejor indicador de colapso que la clasificación scour critical.

Así que la lista de puentes scour critical es una vulnerabilidad calculada, basada en modelos hidráulicos y en supuestos sobre las cimentaciones. Durante una crecida, la decisión de mantener abierto un puente depende de un nivel del río y de lo que un inspector alcanza a ver desde la orilla, que es muy poco de una cimentación sumergida.

Respuesta estructural durante la crecida

Por suerte, los efectos de la socavación se pueden medir, porque cuando la socavación le quita apoyo a una cimentación, la pila se mueve. En una cimentación superficial como la del Schoharie Creek, la pérdida de apoyo aparece como asentamiento y rotación de la pila, muchas veces hacia el tajamar aguas arriba, donde la socavación local es más profunda. Un inclinómetro en el cabezal de la pila mide esa rotación de forma continua desde arriba del agua, con resolución sub-milirradián.

Las pilas también rotan por otras razones, porque la temperatura cambia la longitud del tablero y mueve los apoyos, así que cada pila tiene una banda de rotación diaria y estacional. Para distinguir las dos, los ingenieros leen la inclinación junto con el nivel del río. La rotación térmica sigue el ciclo de temperatura y regresa, mientras que la rotación por pérdida de apoyo aparece como un escalón durante la crecida y no se recupera cuando el agua baja. El nivel del río de una estación del USGS o de un sensor de nivel ya instalado en sitio se puede llevar a MyMove mediante la integración de sensores de terceros, así los ingenieros pueden comparar las dos series en la misma línea de tiempo.

Las vibraciones son otro canal de monitoreo, ya que la socavación reduce la rigidez del suelo alrededor de la cimentación, así que las frecuencias naturales de la pila disminuyen, y los acelerómetros con el Modal Analysis Tool pueden seguirlas a partir del tráfico ordinario. El efecto es claro en estudios de laboratorio y numéricos, menos en campo. En un puente monitoreado durante una reparación que elevó el lecho del río, el modelo predijo un cambio del 3 al 5% en las dos primeras frecuencias, pero las frecuencias medidas en sitio variaron mucho, también porque el nivel del agua y la temperatura cambian las frecuencias. Un cambio de frecuencia durante una crecida, por sí solo, es un indicio débil.

Con datos estructurales, el gestor puede agregar al plan de acción un segundo umbral basado en el propio puente, es decir, un umbral de inclinación definido a partir de la banda de rotación registrada antes de la crecida, con alarmas enviadas al equipo responsable de los cierres. Después de la crecida, los inspectores pueden ver en la rotación residual de cada pila qué cimentación perdió apoyo, y los buzos pueden empezar por esa pila.

Preguntas frecuentes

¿Los sensores en el puente pueden medir la profundidad de la socavación?

No. Los inclinómetros y los acelerómetros miden la respuesta de la estructura, mientras que para la profundidad de la socavación se necesitan sonar, sondas de socavación o buzos. La rotación de la pila aparece solo cuando la cimentación ya está perdiendo apoyo, así que los ingenieros pueden usarla como umbral de cierre y como guía para la inspección después de la crecida, no como pronóstico.

¿Qué puentes scour critical conviene instrumentar primero?

Los puentes sobre cimentaciones superficiales en lechos erosionables y los puentes con cimentaciones desconocidas. En ellos, una pérdida de apoyo se convierte rápidamente en rotación de la pila, mientras que las cimentaciones sobre pilotes tienen más reserva y rotan solo más cerca de la falla.

¿Los datos continuos reemplazan la inspección subacuática después de la crecida?

No. Con los datos, los ingenieros saben qué pilas se movieron y cuánto, y durante la inspección subacuática los buzos verifican la profundidad de la socavación y el estado de la cimentación.