by Charles F. McDevitt
Los principios básicos de las barreras de hormigón no son generalmente conocidos o comprendidos. Las barreras de hormigón parecen ser simples y poco complicadas, pero en realidad, son dispositivos de seguridad sofisticados.
Barreras de Seguridad de Hormigón
Cuando la mayoría de la gente piensa en barreras de hormigón, piensa en la Barrera de Seguridad de Hormigón de Nueva Jersey (barreras NJ-shape o Jersey). Para los golpes más comunes de poco ángulo, la forma NJ está pensada para minimizar el daño de la chapa permitiendo que los neumáticos del vehículo suban por la cara inclinada inferior. (Véase la figura 1.)
Para ángulos de impacto mayores, la forma NJ es en realidad una barrera de varias etapas. El parachoques delantero impacta contra la cara inclinada superior y se desliza hacia arriba. Esta interacción inicia la elevación del vehículo. Si el parachoques es relativamente débil, la parte delantera empieza a aplastarse antes de que se produzca la elevación. A continuación, cuando el vehículo se pone casi en paralelo con la barrera, la rueda entra en contacto con la cara inclinada inferior. La mayor parte de la elevación adicional del vehículo se debe a que la cara inclinada inferior comprime la suspensión delantera. Sin embargo, las fuerzas de rozamiento lateral de las ruedas proporcionan cierta elevación adicional, especialmente si la cara de la barrera es rugosa. Por lo tanto, deben evitarse los agregados expuestos y otros acabados superficiales rugosos. Los vehículos modernos tienen distancias relativamente cortas entre el parachoques y la rueda; como resultado, el contacto con el parachoques es seguido casi inmediatamente por el contacto con la rueda.
Sólo es necesario levantar el vehículo lo suficiente para reducir la fricción entre los neumáticos y la superficie pavimentada. Esto ayuda a inclinar y redirigir el vehículo. Si el vehículo se eleva demasiado en el aire, puede dar bandazos, cabecear o rodar, lo que puede hacer que el vehículo vuelque cuando las ruedas vuelvan a entrar en contacto con el suelo. Preferiblemente, las barreras de seguridad de hormigón deben estar junto a una superficie pavimentada para que las ruedas no puedan clavarse en el suelo y provocar el vuelco del vehículo.
Hace años, era una práctica común formar un radio de 255 milímetros (10 pulgadas) en la intersección de las dos superficies inclinadas para facilitar el encofrado deslizante de la barrera. Este radio ya no es necesario para el encofrado deslizante. Las modernas máquinas de encofrado deslizante pueden encofrar fácilmente barreras de hormigón de hasta 1.320 mm (52 pulgadas) de altura sin un radio.
El «hueco» vertical de 75 mm (3 pulgadas) en la base de la barrera sólo tiene por objeto proporcionar una línea limpia para el revestimiento de asfalto. Este resalto vertical cambia muy poco la dinámica del vehículo, ya que tiene más o menos el mismo efecto que golpear un bordillo de 75 mm.
Las aberturas de drenaje en la cara del resalto no tienen un efecto significativo en un vehículo que impacta. No deben utilizarse aberturas más altas porque las ruedas y los parachoques pueden interactuar con ellas, enganchándose y provocando la guiñada del vehículo. Siempre que sea posible, el drenaje debe recogerse a lo largo de la punta de la barrera, ya que una depresión de drenaje o un bordillo fuera de la forma de seguridad de hormigón puede causar la inestabilidad del vehículo y provocar su vuelco.
El parámetro clave de diseño para el perfil de una forma de seguridad es la distancia desde el suelo hasta el punto de rotura del talud porque esto determina cuánto se comprimirá la suspensión. Para la forma NJ, esta distancia es de 330 mm.
La antigua forma de General Motors, o forma GM, tenía una distancia de 380 mm desde el suelo hasta el punto de rotura de la pendiente. Esta mayor distancia provocaba un levantamiento excesivo de los coches pequeños de la década de 1970, como el Chevrolet Vega. Tras impactar con la forma GM en las pruebas de choque, estos coches pequeños se volvían inestables y tendían a volcar. Como resultado, se dejó de utilizar la forma GM.
Un estudio paramétrico (variando sistemáticamente los parámetros) de varias configuraciones de perfil que se etiquetaron de la A a la F demostró que la F se comportaba claramente mejor que la forma NJ. Los resultados de estas simulaciones por ordenador fueron confirmados por una serie de pruebas de choque a escala real. La configuración F se conoció como la forma F.
Aunque el rendimiento de la forma F era superior al de la forma NJ, no se utilizó ampliamente. Esto se debió a que los estados estaban satisfechos con la forma NJ, que también cumplía los criterios de las pruebas de choque. Además, sus contratistas no querían cambiar los perfiles porque tenían una inversión considerable en las formas necesarias para producir la forma NJ.
Como se muestra en la figura 1, las pendientes de la forma F y de la forma NJ son las mismas. La principal diferencia es que la distancia desde el suelo hasta el punto de ruptura de la pendiente de la forma F es de 255 mm, 75 mm menos que la forma NJ. El punto de rotura de la pendiente más bajo redujo significativamente el levantamiento del vehículo y mejoró en gran medida el rendimiento de la barrera de hormigón.
Los perfiles en forma de NJ y en forma de F están estrechamente relacionados. Si se hace un recubrimiento de asfalto de 75 mm al lado de la forma NJ (y se corta mentalmente un nuevo hueco de 75 mm en el hormigón que queda por encima de la superficie de asfalto), se ha convertido la forma NJ en una forma F. Esto significa que los trabajos de reasfaltado pueden convertir la forma NJ en un diseño más seguro. Sin embargo, estos recubrimientos de asfalto reducirán la altura total de la barrera de hormigón y, en consecuencia, reducirán su eficacia para los vehículos más pesados.
Cuando un camión de una sola unidad, como un camión de alquiler Ryder o U-Haul, golpea una barrera de hormigón en una prueba de choque, rueda hacia la barrera hasta que la parte inferior de la plataforma del camión llega a descansar en la parte superior de la barrera. Esto detiene el movimiento de rodamiento. A continuación, el vehículo se desliza a lo largo de la parte superior de la barrera hasta que es reconducido hacia arriba. Para que esto ocurra, la barrera de hormigón debe tener una altura mínima de 815 mm (32 pulgadas). Para contener y redirigir un «18-wheeler» o tractor-remolque en una prueba de choque, una barrera de hormigón debe tener una altura mínima de 1070 mm (42 in). En estas colisiones con camiones, la trayectoria principal de la carga es vertical porque la carga se transfiere desde la parte inferior de la plataforma del camión o del remolque a la parte superior de la barrera de hormigón. Una barrera de hormigón es esencialmente una columna corta y robusta que puede resistir fácilmente estas cargas verticales.
Debido a que los camiones, autobuses y otros vehículos más pesados tienden a deslizarse a lo largo de la parte superior de las barreras de hormigón, es importante mantener la parte superior de estas barreras libre de señales, vallas, soportes de luminarias y otros accesorios que podrían enganchar el vehículo y provocar su guiñada. Cuando es necesario proporcionar soportes de luminarias en las barreras medianas de hormigón, las barreras pueden hacerse más gruesas en la parte superior en la proximidad del soporte de la luminaria y ensancharse en los lados para proporcionar una sección de transición lateral suave para el vehículo que impacta.
Barreras de seguridad de hormigón de alto rendimiento
Las barreras de hormigón más altas se utilizan a veces como barreras para camiones y para proporcionar una pantalla de deslumbramiento integral en las barreras medianas de hormigón (CMB). La cubierta de un tractor-remolque se encuentra a unos 1350 mm (53 pulgadas) por encima del suelo. Debido a que la cubierta es un miembro estructural fuerte y rígido, puede producir fuerzas laterales significativas cuando impacta con una barrera de hormigón. Por lo tanto, cualquier barrera de hormigón que supere los 1.320 mm (52 pulgadas) debe tener algún refuerzo cerca de su parte superior, aunque sólo sea para evitar que el hormigón desprendido salga despedido hacia el tráfico que se aproxima. Algunos estados han colocado pantallas antideslumbrantes de hormigón en la parte superior de las barreras de hormigón existentes. Por lo general, estas pantallas de deslumbramiento de hormigón contienen algún refuerzo para evitar el desprendimiento.
Para contener y redirigir un camión cisterna de gasolina de 36.000 kg después de los impactos en ángulos y velocidades elevadas, se requiere una barrera de hormigón de 2290 mm (90 pulgadas).
La Autoridad de la Autopista de Nueva Jersey (NJTA) ha probado y desarrollado una barrera de hormigón de 1070 mm de altura que puede contener y redirigir con seguridad a los camiones en posición vertical. Esta barrera se fabrica con los encofrados NJ-shape. El resalte vertical de 75 mm se cubre con asfalto para anclar la barrera contra el vuelco. (Véase la figura 2.) Esto convierte el perfil de la barrera en una forma de F que no tiene un saliente vertical. La barrera mediana para vehículos pesados de la NJTA tiene un grosor de 305 mm (12 pulgadas) en la parte superior. Está fuertemente reforzada.
El muro alto de Ontario es una barrera mediana de hormigón de 1070 mm de altura con el mismo perfil, pero sin refuerzo. Una prueba de choque con un tractor-remolque de 36.000 kilos (80.000 libras) a 85,3 kilómetros por hora (53 millas por hora) y un ángulo de impacto de 15 grados demostró que el refuerzo no era necesario porque el Muro Alto de Ontario tiene 305 mm en la parte superior. A pesar de que se formaron grietas de contracción del hormigón en sentido vertical aproximadamente cada 2440 a 3355 mm (8 a 11 pies) y que penetraron completamente a través de la sección transversal de la barrera, el área de la sección transversal y el enclavamiento de los áridos fueron suficientes para transferir todas las fuerzas de impacto lateral a través de las secciones transversales agrietadas.
Los revestimientos de asfalto de 75 mm de espesor que anclaron ambos lados de estas barreras medianas de alto rendimiento no se separaron del hormigón durante las pruebas de choque con tractores-remolques. Otras pruebas de choque han demostrado que los recubrimientos de asfalto de 25,4 mm de grosor a ambos lados de las barreras medianas de hormigón de 815 mm de altura son suficientes para anclarlas en caso de impacto con turismos y autobuses.
Muchos estados utilizan barreras de seguridad de hormigón de sólo 150 mm o 200 mm de grosor en la parte superior. Los tractocamiones pueden romper un trozo de hormigón en forma de V en las juntas de construcción y subirse a estas barreras. Sin embargo, esto es tan poco frecuente que la mayoría de los estados no consideran económicamente viable utilizar barreras más gruesas o aumentar el refuerzo en las proximidades de las juntas.
Los semirremolques cisterna de gasolina no tienen ningún elemento estructural expuesto entre las ruedas y el depósito, que está centrado a unos 1980 mm (78 pulgadas) del suelo. En otras palabras, no hay nada para que la barrera empuje entre las ruedas y el tanque. Las ruedas de 1070 mm pueden interactuar con una barrera de hormigón de 1070 mm de altura y redirigir el vehículo en impactos de poco ángulo. (Véase la figura 2.) Sin embargo, para contener y redirigir un camión cisterna de gasolina de 36.000 kg después de impactos en ángulos y velocidades mayores, se requiere una barrera de hormigón más alta de 2290 mm.
Parapetos verticales de hormigón
Cuando una forma de seguridad de hormigón levanta un vehículo, parte de la energía cinética del vehículo se convierte en energía potencial. Esta energía potencial se convierte de nuevo en energía cinética cuando el vehículo vuelve al suelo.
Los parapetos verticales de hormigón no tienen esta característica de gestión de la energía, pero las pruebas de choque han demostrado que pueden funcionar aceptablemente como barreras de tráfico. Toda la absorción de energía en un impacto con un muro vertical rígido se debe al aplastamiento del vehículo. Los parachoques no suelen deslizarse por las paredes verticales de hormigón y levantar el vehículo, por lo que las cuatro ruedas tienden a permanecer en el suelo. Esto minimiza el potencial de vuelco del vehículo. Debido a que el vehículo no es levantado e inclinado por la cara vertical, esto también aumenta la posibilidad de que la cabeza de un automovilista atraviese una ventana lateral y entre en contacto con la barrera vertical.
Las ruedas de los vehículos están diseñadas principalmente para soportar cargas verticales, no horizontales. Las trayectorias de los turismos después de chocar contra las barreras verticales de hormigón pueden ser inciertas debido a los daños en las ruedas que pueden producirse cuando el eje delantero entra en contacto con la barrera.
Barreras de hormigón de pendiente constante
La necesidad de tener un perfil de barrera de pendiente única que tenga un rendimiento más consistente que un muro de hormigón de cara vertical llevó al desarrollo de las barreras de pendiente constante. Tanto las barreras de pendiente constante como los muros de hormigón verticales pueden facilitar el reasfaltado porque su rendimiento es insensible al espesor de la capa de asfalto. Esto es especialmente ventajoso cuando se construyen barreras en rampas curvas y para operaciones de repavimentación que, de otro modo, requerirían el reajuste de barreras de seguridad de hormigón. Se pueden hacer hasta 255 mm (10 pulgadas) de recubrimiento antes de que la altura de la barrera se reduzca a 815 mm (32 pulgadas).
La barrera de pendiente constante de Texas tiene 1070 mm (42 pulgadas) de altura y una cara de pendiente constante que forma un ángulo de 10,8 grados con respecto a la vertical. (Véase la figura 3.) Se probó y desarrolló originalmente para su uso como barrera de hormigón temporal, pero se ha utilizado ampliamente como barrera de hormigón permanente.
California desarrolló un perfil de pendiente constante que forma un ángulo de 9,1 grados con respecto a la vertical. Esto está más cerca de la pendiente de 6 grados en las caras superiores de la forma NJ y la forma F. California ha utilizado este perfil de pendiente constante para su barrera lateral de 1070 mm de altura y para su barandilla de puente de tipo 70.
Las pruebas de choque indican que el rendimiento de la barrera de pendiente constante de Texas es comparable al de la forma NJ y el rendimiento de la barrera de pendiente constante de California es comparable al de la forma F. Estas barreras de pendiente constante han sido probadas con un camión de una sola unidad de 8000 kg (18.000 lb) de acuerdo con el Informe 350 del NCHRP, y ambas son barreras de nivel de prueba cuatro (TL-4). Hasta la fecha, las barreras de pendiente constante no han sido sometidas a pruebas de choque con tractores-remolques u otros vehículos pesados; por lo tanto, no se han establecido sus límites superiores de rendimiento.
Barreras de hormigón transportables
Las barreras de hormigón transportables (PCB) han mejorado considerablemente la seguridad en las zonas de trabajo de la construcción. Las PCB están hechas de secciones prefabricadas de hormigón con forma de seguridad unidas para formar una barrera longitudinal continua. Dado que las barreras portátiles de hormigón están destinadas principalmente a evitar que los vehículos errantes golpeen a los trabajadores de la construcción, la deflexión lateral dinámica de estas barreras debe mantenerse al mínimo. En general, la deflexión de la barrera puede minimizarse utilizando segmentos de barrera más largos y empleando juntas que puedan desarrollar un momento de flexión de 6913 kg-m (50 kip-ft) o más.
Esta barrera portátil de hormigón de 510 mm (20 pulgadas) de altura, desarrollada por el Departamento de Transporte de Texas, tiene una pendiente inversa de 2,8 grados (1 en 20) con respecto a la vertical. Esta barrera de hormigón de bajo perfil fue probada con éxito con una camioneta a 72 km/h.
Las conexiones de clavija y bucle son muy populares porque pueden acomodar fácilmente la curvatura horizontal y los cambios en la pendiente vertical. Sin embargo, sólo pueden desarrollar la capacidad de momento de flexión después de que la junta haya sufrido una cantidad significativa de rotación. Es necesario colocar una arandela o chaveta en el extremo inferior del pasador de acero para evitar que éste salte verticalmente fuera de los bucles en caso de impacto. Los bucles hechos con barras de refuerzo son mejores que los bucles de alambre porque pueden resistir las rotaciones torsionales de las barreras en las uniones. El tensado de los segmentos de la barrera y el anclaje de los segmentos extremos al suelo son también muy útiles para reducir la deflexión lateral. El anclaje de cada segmento de la barrera con pernos de acero clavados en el suelo es muy eficaz, pero requiere mucha mano de obra y hace que la barrera sea menos portátil.
Barreras de hormigón de bajo perfil
Si una cara inclinada de una barrera de hormigón puede levantar un vehículo, es lógico que una inclinación en la dirección contraria pueda tender a sujetar el vehículo empujando el parachoques hacia abajo. El Departamento de Transporte de Texas ha desarrollado una barrera de hormigón portátil de 510 mm de altura para su uso en zonas de trabajo e intersecciones en las que la distancia de visión del conductor quedaría bloqueada por una barrera más alta. La pendiente inversa es de 2,8 grados (1 en 20) con respecto a la vertical. Esta barrera de hormigón de bajo perfil fue probada con éxito con una camioneta a 72 km/h (45 mi/h). No ha sido probada a velocidades más altas o con vehículos más grandes.
Conclusión
Cada uno de estos tipos de barreras de hormigón cubre un nicho y ayuda a satisfacer las necesidades de las agencias de carreteras que seleccionan, diseñan y ubican las barreras de tráfico. En términos de rendimiento de seguridad, la forma F de 1070 mm (42 pulgadas) es actualmente nuestra mejor tecnología. El perfil en forma de F es claramente superior a la forma NJ y está siendo utilizado gradualmente por más estados tanto para barreras de hormigón portátiles como para barreras permanentes.
Charles F. McDevitt es ingeniero estructural en la Oficina de Investigación y Desarrollo de Seguridad de la Administración Federal de Carreteras en el Centro de Investigación de Carreteras Turner-Fairbank en McLean, Va. Tiene 39 años de experiencia en el diseño, las pruebas y el desarrollo de nuevos productos. Se incorporó a la Administración Federal de Carreteras en 1978. Durante los últimos 22 años, ha trabajado en el desarrollo de nuevas y mejores barreras de tráfico. Tiene un máster en ingeniería civil por la Universidad de Pensilvania, y es un ingeniero profesional registrado en Pensilvania.