Así se planifican puentes en Alemania (y un guatemalteco está a cargo)

BIM es la abreviatura en inglés de Building Information Modeling, es decir simulación de información estructural. Esta tecnología extiende la planificación convencional basada en planos a un modelo tridimensional de la estructura que puede incluir las fases y costos de construcción.

A pesar de que esta nueva tecnología es utilizada desde hace varios años en la planificación de edificios, no se ha establecido como estándar en el sector de puentes en Alemania. Esto está cambiando ahora y Cosenza lidera junto a otros ingenieros la planificación de puentes en Alemania utilizando esta tecnología.

Gustavo Cosenza nació en la ciudad de Guatemala en 1981, donde vivió durante 28 años. Durante el tiempo que estudió ingeniería civil prestó servicio ad-honorem como bombero municipal. En 2009 migró a Alemania para continuar con su post-grado de ingeniería estructural enfocada en fenómenos naturales. Desde entonces se dedica a la planificación de mega proyectos de infraestructura.

En los últimos 10 años ha planificado más de 40 proyectos de infraestructura en Alemania que suman un total de 50 millones de euros (aprox. 425 millones de quetzales). Entre éstos, más de 25 puentes vehiculares, ferroviarios y peatonales. Desde hace tres años forma parte del equipo de Nómada, donde comparte su opinión como experto en temas de infraestructura y riesgos.

El artículo original fue redactado en alemán. Aquí pueden leer un extracto traducido al español.

El ingeniero Gustavo Cosenza, guatemalteco a cargo de la planificación de puentes.

BIM en la sexta dimensión: Planificación 6D del puente ferroviario sobre el río “Unstrut”

El ferrocarril alemán regional (Deutsche Regional Bahn) tiene previsto reactivar la vía ferroviaria conocida como “Kyffhäuser-Bahn” en el Estado Federal de Turingia. Para esto contrató a los Ingenieros Consultores Emch+Berger quienes se encargarán de realizar todas las fases de planificación necesarias para la reactivación de la vía. Esto incluye el cálculo y revisión estructural de todas las obras civiles que se encuentran en el tramo.

El objetivo de una revisión estructural es determinar el nivel de seguridad estructural restante de una estructura. Es decir, si ésta después de varios años en funcionamiento todavía puede resistir las cargas en sus condiciones actuales.

En las primeras fases de planificación del puente ferroviario sobre el río “Unstrut”, se determinó que éste no cumplía con el nivel requerido de seguridad estructural bajo las cargas a las que se sometería en el largo plazo.

Esto hizo necesario el reemplazo del puente actual de tres luces por un puente de armadura de una sola luz de acuerdo a los lineamientos de planificación de puentes ferroviarios de acero en Alemania (Ril 804.9010). A partir del año 2023 transitarán ferrocarriles sobre la nueva estructura.

La tecnología BIM es aplicable para puentes

A pesar de que la tecnología BIM es utilizada desde hace años en la planificación de edificios, no ha logrado asentarse en el área de puentes. A diferencia de los edificios, cuyos elementos estructurales se diseñan en base a cuadrículas y niveles, los puentes presentan irregularidades geométricas, como las pendientes longitudinales y transversales, la elevación diferencial de las superestructuras para compensar la deformación de las cargas permanentes, las diferentes fases de construcción y demás condiciones complejas de simular en un modelo digital.

A todo esto, se suma la falta de experiencia de instituciones contratantes, planificadores y constructoras acerca de este tema. Regularmente quienes mantienen un escepticismo acerca la tecnología BIM tienden a sobreestimar el tiempo y costo que requiere la elaboración de los modelos digitales y a subestimar la calidad de los resultados que se obtiene a través de éstos.

La intensa inversión de trabajo en las etapas iniciales de planificación se compensa durante todo el proceso, ya que los cambios inevitables en la planificación requieren mucho menos esfuerzo al ser implementados directamente en el modelo digital. Además, se alcanza un nivel mayor de calidad en la planificación a través de:

1- Identificación de conflictos espaciales (volúmenes)

2- Estimación exacta de las cantidades de trabajo

3- Simulación de las fases de construcción (4D)

4- Vinculación directa con los costos de construcción (5D)

5- Modelo analítico para el cálculo estructural (6D)

Debido a la exactitud requerida en la planificación y a la complejidad de las condiciones existentes y la metodología de construcción los Ingenieros Consultores Emch+Berger decidieron planificar utilizando la tecnología BIM y los programas Autodesk® Revit® y SOFiSTiK FEM.

Simulación de las condiciones existentes

El puente existente se compone de tres super-estructuras de acero: un puente de armadura en el centro y dos de vigas longitudinales y transversales en los extremos. La sub-estructura se construyó sobre una cimentación profunda de 8 muros masivos reforzados con núcleo rectangular hueco.

La simulación del puente existente se basó en los planos antiguos de éste y un escaneo digital de la estructura en el lugar. El alto nivel de detalle del modelo digital fue necesario para la revisión estructural, la definición de la metodología de construcción (peso real de las super-estructuras para su desmontaje a través de grúas gigantes) y para el dimensionamiento de la nueva cimentación profunda, ya que cuatro de los pilotes se ejecutarían dentro del núcleo rectangular hueco de la cimentación existente.

Ilustración 1: Modelo digital en Revit® del puente existente (Fuente: https://info.sofistik.de/anwenderbericht-emch-und-berger)

Simulación paramétrica de la armadura

La nueva sub-estructura y sus cimentaciones se simularon en el modelo digital utilizando las herramientas convencionales de Revit®. Para la simulación de la super-estructura los Ingenieros Consultores Emch+Berger utilizaron un módulo de programación gráfico de Revit® denominado Dynamo®, cuya aplicación ofrece las siguientes ventajas:

1- Simulación paramétrica de la estructura en base a coordenadas en una tabla de Excel

2- Implementación efectiva de cambios en la geometría del modelo en la fase de diseño

3- Calibración del modelo al simular la pendiente longitudinal y la elevación diferencial de la superestructura para compensar la deformación de las cargas permanentes

Además, existe ya una alternativa a la aplicación de Dynamo® para la simulación específica de puentes en Revit®: SOFiSTiK Bridge Modeler (SBM). La gran ventaja de éste es que no sólo genera el modelo digital a través de parámetros, sino también el modelo analítico para su posterior cálculo estructural.

Ilustración 2: Modelo digital en Revit® del nuevo puente (Fuente: https://info.sofistik.de/anwenderbericht-emch-und-berger)

Cuarta dimensión: tiempo

A través de la tecnología BIM se pueden simular las fases de construcción de un proyecto. En la planificación del puente ferroviario “Unstrut” se simularon tres fases principales: las condiciones existentes del puente, la fase intermedia de construcción y el puente nuevo ya construido. Una de las grandes ventajas de esta simulación es que permite a todos los involucrados en el proyecto, incluyendo a las instituciones contratantes, a entender de manera simple cómo se construirá la nueva estructura. De esta manera se pueden presentar claramente las condiciones necesarias en el lugar para que la metodología de construcción que se ha planificado sea posible de realizar.

En el caso específico del puente “Unstrut” se necesitaba saber si existía espacio suficiente para las plataformas temporales para las grúas gigantes y las medidas de seguridad necesarias para proteger las instalaciones externas alrededor del puente, específicamente torres y líneas de electricidad.

Quinta dimensión: costos

El modelo digital en Revit® incluye no sólo información general acerca de la estructura (geometría, secciones transversales de los elementos estructurales, materiales, peso específico), además puede incluir los costos unitarios de los materiales y/o elementos.

Éstos están vinculados con el modelo, de manera que cualquier cambio que se haga en éste se verá reflejado en los costos automáticamente. Dependiendo del nivel de detalle y extensión de la simulación de la estructura se pueden extraer las cantidades de trabajo que se necesitan ejecutar con un alto nivel de confiabilidad. Esto garantiza transparencia en el proceso de licitación, ya que el cálculo de las cantidades de trabajo puede revisarse en el modelo digital en cualquier momento.

Ilustración 3: Modelo analítico en SOFiSTiK FEM (Fuente: https://info.sofistik.de/anwenderbericht-emch-und-berger)

El modelo analítico como sexta dimensión

La simulación del modelo analítico para el cálculo estructural del puente “Unstrut” fue sumamente compleja. La armadura se compone de vigas longitudinales, diagonales, nudos, plancha de rodamiento, costillas longitudinales y vigas transversales. Todos estos elementos están conectados unos a otros a través de conexiones cinemáticas que restringen sus grados de libertad (deformación, rotación).

Además de la resistencia del suelo a la deformación horizontal de los pilotes, se necesitan simular las cargas verticales, horizontales y dinámicas de los ferrocarriles sobre el puente. Para esto se aplica el modelo 71 (Eurocódigo 1991-2) en varias posiciones de la plancha de rodamiento.

Los Ingenieros Consultores Emch+Berger utilizaron el modelo analítico generado en Revit® para su simulación en el programa de cálculo estructural SOFiSTiK FEM. Aquí se complementó el modelo, se definieron las cargas y se realizaron todos los chequeos (globales y locales) que requieren las normas vigentes.