La reparación y rehabilitación de estructuras patrimoniales de hormigón -que, además, forman parte de la red vial de una ciudad- representan todo un desafío, tanto en la fase de diseño como en la misma obra. Desde cumplir con los requisitos para proteger el aspecto patrimonial e histórico hasta, efectivamente, que la estructura vuelva a su funcionamiento, asegurando además una vida útil extendida, son sólo algunos de los aspectos que se deben abordar en este tipo de obras. Este artículo, publicado originalmente en el N°37 del Concrete Repair Bulletin, da cuenta del proceso que hubo detrás de la rehabilitación de una importante obra vial histórica en Estados Unidos.
Crédito: Concrete Repair Bulletin
Introducción
El proyecto de rehabilitación del Puente de la 3ª Avenida, completado en 2023, se destaca por su inmensa escala, la construcción y escenarios únicos del puente en arco de hormigón, la inusual composición y el grave deterioro del hormigón original de 100 años y los métodos innovadores que se utilizaron para reparar el hormigón y así, extender la vida útil del puente por otros 50 años.
La evaluación de la condición, los estudios alternativos y las fases del diseño de reparación tomaron, colectivamente, tres años y la construcción abracó otros tres años, involucrando numerosos socios tanto en el diseño como en la construcción, lo que representó la rehabilitación de puentes más grande en el estado de Minnesota y una de las más grandes de todo el país.
Historia del puente
El Puente de la 3ª Avenida, que originalmente se diseñó y construyó a comienzos del 1900, se catalogó como una estructura histórica y un ejemplo clásico de los puentes de arcos enjutos abiertos de hormigón que eran comunes en esa era (Imagen 1). Ubicado en el centro de Minneapolis, Minnesota, el Puente de la 3ª Avenida es único debido a su escala, su uso del sistema de refuerzo Melan y su geometría curva en forma de S para evitar fisuras de la piedra caliza en el lecho del río. El puente, que se inauguró en 1918, es uno de los 24 puentes de destaca importancia histórica que se eligió para su preservación a largo plazo y que se incluyó en el Plan Estatal para el Mantenimiento y Gestión de Puentes Históricos.
El puente consta de siete arcadas de arco de hormigón originales en el río y tramos de acceso en cada extremo. Los tramos de arco 1 al 5 consisten en tres nervios de arco, mientras que los tramos 6 y 7 constan de arcos de cañón de ancho completo, los que sostienen las columnas enjutas que, a su vez, sostienen la plataforma del puente. El puente se construyó utilizando el sistema de refuerzo de Melan, patentado en 1892 por el ingeniero de puentes Joseph Melan. En el sistema de Melan, no hay barras de acero de refuerzo convencionales en los arcos. En vez de eso, los acros de hormigón se reforzaron con cerchas de acero internas compuestas de cuerdas de doble ángulo conectadas con placas de refuerzo de acero remachadas y tirantes transversales diagonales.
Aunque el puente se rehabilitó anteriormente, primero en 1939 y luego con reparaciones importantes al hormigón y el reemplazo completo de su plataforma cerca de 1980, para comienzos de la década del 2000 el puente nuevamente presentó un importante deterioro del hormigón, además de deficiencias estructurales, las que debían abordarse. El propósito de la reciente rehabilitación que completó fue abordar la condición del puente, elevar su ranking NBI de 4 a, al menos, 6 y lograr el objetivo de extender su vida útil en, al menos, 50 años.
Evaluación de la condición
Como un primer paso en la rehabilitación de un puente histórico, una evaluación del estado bien concebida resultó fundamental para lograr reparaciones duraderas. Los objetivos de la evaluación del estado fueron para caracterizar la construcción y actual condición de la estructura y, más importante, identificar los mecanismos de deterioro que atacaron a la estructura individual. Los mecanismos de deterioro comunes para hormigón histórico incluyen daño por ciclo de congelación-deshielo, daño por corrosión causada por el ataque de cloruros y daños por corrosión provocados por la carbonatación.
Fase 1: Inspección del puente
La evaluación del estado para el Puente de la 3ª Avenida se realizó en dos fases. La Fase 1 consistió en una inspección detallada del puente a nivel de elementos y un sondeo representativo del 100% de las superficies expuestas (Imágenes 2 y 3). Las condiciones de peligro y los estados de condición se mapearon digitalmente en dibujos a escala utilizando tablets.
Fase 2: Ensayos en terreno, muestreo de material y ensayos en laboratorio
Basado en la inspección de la Fase 1, se seleccionaron pequeñas áreas de estudio en todo el puente para representar el rango completo de condiciones presentes. La Fase 2 consistió en ensayo en terreno y muestreo de materiales en cada una de las áreas de estudio, cuya meta principal fue identificar la gravedad y los mecanismos de deterioro que ocurren en el hormigón para cada tipo de elemento. Las zonas de estudio se distribuyeron espacialmente en todo el puente para representar la gama de condiciones y los tipos de materiales presentes.
Los métodos de ensayo en terreno en sobre 100 zona s de estudio utilizadas sobre el Puente de la 3ª Avenida incluyeron estudios de potencial de media celda, mediciones de la tasa de corrosión, ensayos de resistividad, ensayos de carbonatación y pruebas ultrasónicas de espesor de elementos de la armadura de acero (Imágenes 4 y 5). Los ensayos en laboratorio de las muestras del material tomado desde el puente, que comprendieron más de 80 testigos de hormigón y 10 muestras de acero, incluyeron ensayos para las propiedades mecánicas del hormigón y de los materiales de acero, evaluación por perfil del contenido de cloruro y análisis petrográfico de números testigos para identificar vulnerabilidades específicas en el hormigón de esta estructura. Las proyecciones de vida útil se desarrollaron para cada tipo de elemento, las que se utilizaron para informar el desarrollo de las alternativas de rehabilitación y las comparaciones en el costo del ciclo de vida.
Diseño y construcción de la rehabilitación del hormigón
Luego del análisis de las alternativas de rehabilitación con varias proyecciones de la vida útil, se seleccionó la alternativa que podría alcanzar una vida útil de al menos 50 años, la que se convirtió en el criterio del diseño para las reparaciones del hormigón.
La rehabilitación del puente requirió de una ingeniería compleja y de una construcción en secuencia. El acceso desde debajo, utilizando barcazas, fue limitado debido a las caídas en varios niveles y la central eléctrica adyacente. Esto requirió un enfoque de arriba hacia abajo, pero la carga sobre la superestructura tuvo que limitarse para evitar sobrecargar los arcos existentes que, debido a su perfil poco profundo, experimentan altas tensiones de flexión bajo cargas desbalanceadas. Se construyó una serie de grúas torre dentro de las pilas del puente para realizar los reemplazos de las columnas y de la plataforma, con la asistencia de grúas móviles más pequeñas. El acceso a la subestructura requirió de complicados andamios suspendidos y de ataguías sin agua en el torrentoso río.
Reparaciones de alta calidad en la superficie de un hormigón histórico
Los detalles del diseño para la reparación del hormigón se desarrollaron para lograr una sensibilidad histórica y reparaciones durables y de alta calidad. El principio guía detrás del diseño de la reparación fue lograr y mitigar en el futuro los mecanismos de deterioro de raíz identificados, principalmente la corrosión provocada por el ataque de cloruros y el daño por congelación-deshielo, los que son distintos mecanismos, aunque ambos estén impulsados por el agua.
Basados en la inspección, se especificaron las reparaciones de la superficie del hormigón en todas las ubicaciones donde estuviesen presentes delaminaciones, astillas y anteriores reparaciones, y los detalles de la reparación se desarrollaron para ubicación típica. Se entregaron detalles únicos para abordar los graves daños relacionados con la corrosión en las esquinas de las nervaduras del arco (Imagen 7, Imagen 8), las fisuras longitudinales en la parte superior e inferior de las nervaduras del arco y en zonas donde el daño por congelación-deshielo fuese particularmente profundo.
Las especificaciones de la reparación del hormigón se diseñaron para brindarle al contratista libertad de elegir entre métodos de encofrados y vertido, encofrado y bombeo o shotcrete, ya sea con hormigón preenvasado o premezclado, para cada tipo de reparación. Se incluyeron las propiedades y requisitos de control de los materiales aplicables para cada método y material.
Reparaciones profundas en el hormigón por daño provocado por ciclo de congelación-deshielo
En el Puente de la 3ª Avenida, el daño por ciclo de congelación-deshielo a menudo se presentó debajo de las descargas del drenaje y los manantiales de arco donde se acumula el agua. Basado en el análisis petrográfico de las muestras de testigos, se anticipó que la mayor parte de las reparaciones en la superficie no tendrían más de 152 mm de profundidad, sin embargo, se proporcionaron detalles de reparación para profundidades de hasta 305 mm, que fue el daño más profundo observado en las muestras de testigos.
El daño por ciclo de congelación-deshielo se presentó incluso en las bases de las pilas, cerca de la cota del agua y debajo de las descargas del drenaje. La erosión máxima del hormigón fue de 432 mm y más allá de eso, hubo daños por ciclo de congelación-deshielo de hasta otros 203 milímetros. En vez de remover todo el hormigón dañado por la congelación-deshielo, los detalles de la reparación requirieron la eliminación uniforme de 305 mm de hormigón para alcanzar lo que se definió como el “sustrato intacto del hormigón” (áridos fuertemente embebidos en una pasta sólida, pero con algunas fisuras relacionadas al ciclo de congelación-deshielo). Las remociones más profundas se realizaron en “focos” localizados para alcanzar una superficie intacta. Se instalaron anclajes epóxicos más largos a mayor profundidad en el material sano más allá de la profundidad de remoción, y se instaló una nueva malla de acero inoxidable de refuerzo cerca de la superficie (Imagen 9).
Mitigación del daño futuro por ciclo de congelación-deshielo y corrosión de acero de refuerzo (es decir, extendiendo la vida útil)
Reparación y recubrimiento de fisuras
Los recubrimientos y selladores que forman películas se utilizan ampliamente para evitar que el agua penetre en el hormigón, pero a menudo son inapropiados para una estructura histórica de acuerdo con los estándares de preservación. Sin embargo, la investigación mostró que el Puente de la 3ª Avenida posee varios tratamientos de superficie en su historia. El hormigón original no contiene aire y está contaminado por cloruros, por lo que es extremadamente vulnerable a futuros deterioros y pérdida de estructura histórica si el agua penetra. Luego de discusiones entre historiadores y expertos técnicos, se acordó la aplicación de un revestimiento que forma película de alto desempeño y resistente al agua en todas las superficies del hormigón original para la reparación de las fisuras. Se seleccionó un producto de recubrimiento a base de acrílico para no enmascarar las líneas del encofrado original. Puede removerse, lo que es importante para estructuras históricas, y mejora la apariencia del hormigón al enmascarar la generación de parches de distintos colores.
Protección catódica orientada a las esquinas del arco
El deterioro en los arcos se concentró en las esquinas de estos, donde la exposición es peor debido a la escorrentía directa y a la exposición bilateral a la humedad y los ciclos de congelación-deshielo. Las esquinas desgastadas se repararon utilizando un detalle personalizado que incluyó un cuidadoso refuerzo para controlar el agrietamiento y mantener perímetros y uniones ajustadas, así como ánodos catódicos continuos de protección para, valga la redundancia, proteger partes de los ángulos Melan que no estaban expuestas, limpiadas y recubiertas.
Para mitigar el deterioro futuro a lo largo de las esquinas del arco, donde no se presentaron problemas actuales, se implementó una estrategia de protección catódica específica. Se ubicaron en el campo, de manera discreta, dos ánodos de dos etapas de acuerdo con los ensayos de potencial de media celda que se realizaron durante la fase de construcción (Imagen 9 e Imagen 10).
Restauración de elementos históricos
El Puente de la 3ª Avenida está en el Registro Nacional de Lugares Histórico y es un ícono en el horizonte de Minneapolis. La preservación de los materiales originales -en la medida de lo posible- y la restauración de la estética original del puente fue una consideración primordial. El proyecto fue revisado y aprobado por las agencias de preservación del patrimonio sin ningún tipo de impacto desfavorable a la integridad histórica del puente.
La preservación de la estética significó que los perfiles originales necesitaron replicarse de manera precisa. El intrincado perfil de las monumentales pilas se reprodujo en las cubiertas de las pilas encofrados construidos en el sitio de la obra y hormigón autocompactante. Las reparaciones con shotcrete en las zonas más visibles para el público se terminaron a mano para que las líneas del tablero del encofrado coincidieran con las del hormigón original (Imagen 12). Los muros de las pilas se reemplazaron utilizando revestimientos de encofrado para replicar el acabado del tablero del moldaje. El revestimiento a la superficie que se aplicó sobre la totalidad del puente coincidió con los colores originales durante el período de importancia histórica. Para cada tipo de reparación del hormigón, se requirieron maquetas ya que así, se lograron confirmar tanto la estética como la calidad de dichas reparaciones.
La rehabilitación también brindó una oportunidad para restaurar varios aspectos originales del puente que se habían perdido. Por ejemplo, los extremos curvos de las cubiertas de viga originales se reprodujeron en nuevas cubiertas de viga prefabricadas, y se instalaron nuevos faroles que imitaron la iluminación histórica original del puente. Las rejillas de aluminio instaladas cerca de la década de 1940 se limpiaron y reinstalaron, incluyendo el aumento para cumplir con los requerimientos del código actual.
La rehabilitación se completó y el puente se abrió al tráfico en octubre de 2023 (Imágenes 13, 14 y 15). El costo total de la construcción fue de, aproximadamente, USD 150 millones, más de 9.000 metros cuadrados de reparaciones de la superficie del hormigón se ejecutaron con shotcrete, y se colocaron más de 10.000 ánodos de protección catódica. La belleza y longevidad del puente rehabilitado, lo que se logró gracias a las habilidades colectivas de un equipo de expertos en diseño de reparaciones del hormigón, materiales y construcción, la convierten en uno de los puentes históricos más impresionantes en el país que será admirado por las generaciones venideras.
