Protección de márgenes de río mediante escollera. Ingeniería fluvial.

Los lechos y márgenes de los cauces naturales de los ríos, están sujetos a procesos de erosión por la corriente de agua que circula por ellos. El grado de erosión depende de las características del cauce (únicas para cada tramo de río y situación), condiciones del flujo de corriente, tipo de materiales que forman los márgenes, vegetación existente, estabilidad del lecho...etc.

Uno de los elementos más usados en la protección de márgenes frente a la erosión es el riprap, una disposición de una o varias capas de escollera. 

El termino escollera (riprap) se emplea para describir la piedra suelta procedente de cantera, con una amplia graduación, que se usa para la protección de lechos y taludes de cauces frente a fuerzas de carácter hidráulico. Están formadas por capas de piedra cuyos tamaños son generalmente mayores de 200-250 mm. La escollera se puede definir bien por su peso (normalmente) o bien por su tamaño, pudiéndose determinar analíticamente. Los bloques de piedra muy grandes, del orden de 1.000 Kg, se suelen emplear únicamente en protecciones de costas frente a oleajes importantes.

La protección de escollera o riprap ha sido y continúa siendo hoy día uno de los métodos más utilizados en todo el mundo, debido principalmente a su flexibilidad, larga duración, facilidad de puesta en obra, reparación y apariencia natural.

No obstante, el principal problema que existe a la hora de decidir la colocación de una protección de escollera es el asociado a la disponibilidad de roca de tamaños adecuados, lo que puede suponer en muchos casos que los costes del transporte de la roca desde la cantera a la obra sean mayores que los del propio material.

En las imágenes que se acompañan, se aprecia la margen izquierda de un río socavada por las aguas en un continuo proceso de erosión que amenaza con afectar a las edificaciones y tramos de carreteras próximos a la zona.

Para solventar el problema, se propone la ejecución de una escollera como sistema de protección de la orilla del cauce (y>>5y_o), en el que se han medido velocidades de 4 m/s para un calado máximo sobre el fondo de 2 m, presentando dicho fondo además una pendiente muy suave.

En una cantera próxima se dispone de piedra angulosa (de ángulo de rozamiento interno de 42^o), tamaño característico D₅₀ de 0,50 m y peso específico de 2.700 Kg/m³.

Se pretende alcanzar un factor de seguridad SF de 1,50 para lo cual calcularemos el ángulo θ del talud de escollera necesario a ejecutar en esta margen del río.

Diseño instalación fotovoltaica aislada.

Los puentes de Robert Maillart.

Así como el siglo XIX fue la época del hierro, el siglo XX lo fue del hormigón. Entre los grandes maestros de este nuevo material tenemos al ingeniero suizo Robert Maillart (1872-1940).

Entre 1900 y 1940, Maillart llevó a cabo una revolución en el arte estructural.  Logró emplear el hormigón en formas técnicamente adecuadas a sus propiedades y además visualmente sorprendentes. Maillart reconoció que el diseño de hormigón permitía formas que no eran previamente posibles con piedra (mampostería) o metal. De sus 47 grandes puentes, la mayoría siguen en servicio.

En 1899, diseñó el puente Stauffacher sobre el río Shil en Zurich. Este puente de 38,3 m de luz, es un puente arco triarticulado de hormigón, pero está escondido detrás de una fachada de mampostería decorativa que carece de función estructural.

Puente de Stauffacher. Maillart 1899.

En 1901, en su puente de Zouz sobre el río Inn con una luz de 38,3 m, decidió cambiar los muros decorativos de mampostería del puente Stauffacher por muros estructurales, formando así el primer puente viga cajón de hormigón armado de la historia. En este caso fue la sugestión de la forma decorativa lo que le motivó a cambiarla en forma estructural.

Puente de Zouz. Maillart 1901.

Maillart aprendió mucho del comportamiento estructural observando directamente las obras ya terminadas en uso.  En el diseño del puente de Tavanasa sobre el río Rhin de 1905, con 51 m de luz, obtuvo una nueva forma con un poder visual sin precedentes, incrementando la eficiencia del hormigón y disminuyendo los costos de construcción y mantenimiento, es decir, obteniendo un mejor puente. Esta fue la primera obra maestra de Maillart. Sus más famosos puentes de la década de 1930 derivarían de la forma del puente de Tavanasa.   

El puente de Tavanasa al igual que el de Zouz y Stauffacher, era un puente arco triarticulado. Los arcos de hormigón fueron hechos con mitades idénticas y conectados en ambos bastiones y uno a otro en la corona con articulaciones, las cuales permitían rotación libre en esos tres puntos. Estas articulaciones permiten al arco ascender o descender libremente sin esfuerzos internos con los cambios de temperatura.

Puente de Tavanasa. Maillart 1905.

En 1927, una avalancha destruyó el puente de Tavanasa y llevó a Maillart a diseñar para reemplazarlo un puente sobre el Salginatobel con la misma forma.
Terminado en 1930 y con una luz de 90 m, en este puente Maillart prescindió de los bastiones de piedra. El puente de Sanginatobel es reconocido como una obra maestra del arte moderno; ha recibido varios reconocimientos como la declaración de "Monumento Mundial" en 1991.

En los puentes de Zouz, Tavanasa y Salginatobel,  Robert Maillart  ganó las competencias de diseño-construcción. Su revolucionaria integración de la esbeltez permitió una nueva forma eliminando cualquier analogía con los puentes de piedra. Estas obras y otras posteriores, cumplirían con los criterios del verdadero arte estructural: materiales mínimos, costos mínimos y máxima expresión estética.

Puente de Sanginatobel. Maillart 1930.

CÁLCULO DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL PUENTE DE SANGINATOBEL. PUENTE ARCO DE TABLERO SUPERIOR TRIARTICULADO.

Obsérvese cómo, en la clave del arco y en los encuentros de éste con las pilas de apoyo y el cimiento los momentos flectores son nulos, tal y como demuestra el cálculo.

El puente de Sanginatobel es además de un puente triarticulado, un puente arco de tablero superior.

El tablero lo forma una viga cajón de hormigón.

La existencia de articulaciones en la clave y apoyos del arco, permite giros libres a la estructura.

Por encima del puente discurre una carretera de 3,50 m de ancho. 

Unas pilas rectas permiten arriostrar el arco con el tablero rigidizándolo.    

Viga cajón hueca de hormigón.

El vulcanismo de Io en el sistema de Júpiter.

Cada dos segundos, los esfuerzos de marea gravitacional ejercidos por Júpiter sobre su luna Io, inyectan en esta luna joviana más de 30 billones de watios de energía en forma de calor, el equivalente a la energía de una bomba atómica de Hiroshima (30 bombas atómicas por minuto).
El resultado es el intenso vulcanismo de Io en su superficie, sin parangón en el resto del Sistema Solar. 

A finales de los años setenta del siglo XX, los científicos pensaban que en regiones tan alejadas como la de Júpiter en el Sistema Solar exterior, a más de 800 millones de kilómetros del Sol, habría poco calor.

Las  imágenes que la misión Voyager II envió a la Tierra en 1979 al acercarse a Io, representaron una gran sorpresa. No había ni rastro de cráteres de impacto en Io, solo una superficie joven en proceso de continua renovación. En las imágenes aparecían cientos de calderas volcánicas, algunas de ellas en plena y furiosa actividad, penachos de emisiones volcánicas que se elevaban varios centenares de Kilómetros sobre el cielo de Io, enormes campos de lavas...  

Por primera vez se observaban volcanes activos fuera de la Tierra, en un mundo extraterrestre.

La fricción generada en el manto de silicatos y azufre de Io, por influjos de marea gravitacional, inyecta más de 30 billones de watios en forma de calor en el interior de esta luna.

Las diversas coloraciones de la superficie de Io se deben a las distintas variedades cristalográficas que adopta el azufre, que junto con los silicatos son el material principal en Io. El continuo flujo de lavas renueva la superficie de Io haciendo de ésta una de las superficies más jóvenes del sistema solar.

Ese mismo año, previamente a la llegada de la misión Voyager a Júpiter, apareció en la revista Science un artículo decisivo en la historia de las Ciencias Planetarias. Bajo el conciso título de "Melting of Io by Tidal  Dissipation" (Fusión de Io por Disipación Mareal), los investigadores Stanton J. Peale, Ray T. Reynolds y Patrick M. Cassen proponían en él una idea completamente revolucionaria: las fuerzas de marea pueden ser una importante fuente de calor, capaces incluso de mantener en funcionamiento la maquinaría geológica de un cuerpo planetario.    
  

Los periodos orbitales de las lunas más próximas a Júpiter, Io y sus vecinas Europa y Ganímedes, están atrapados por una de las resonancias orbitales estudiadas en el siglo XIX por el astrónomo francés Pierre Simón de Laplace.
Con la precisión de un reloj suizo, cada vez que Ganímedes completa una vuelta alrededor de Júpiter (lo que sucede cada 7,2 días), Europa completa dos e Io exactamente cuatro. De esta resonancia se deduce que los satélites están imponiendo, por atracción gravitatoria, cierta excentricidad a la circularidad de sus órbitas. De esta forma las trayectorias oscilan, se alejan y se acercan a Júpiter periódicamente, produciendo así una marea o abultamiento más intenso que va calentando el cuerpo por rozamiento interno, una fricción periódica que mantiene permanentemente fundido el interior de Io desde hace cientos, quizá miles de millones de años.

La manifestación externa de esta inmensa energía calorífica es el vulcanismo extremo existente en superficie. Abundan edificios de origen volcánico: volcanes escudo, erupciones fisurales, calderas volcánicas gigantes, lagos de lava fundida. Un vulcanismo cien veces el terrestre en un cuerpo del tamaño de la Luna de la Tierra.

Imágenes de arriba: comparando estas dos instantáneas de las inmediaciones del volcán Pele (zona oscura del centro) se puede apreciar que Pillan Patera un volcán que permanecía inactivo, ha despertado súbitamente, cubriendo de materiales oscuros una amplia extensión (400 Km de diámetro) de terreno. Hacia el sur Babar Patera  se encuentra parcialmente cubierto por los depósitos del Pele.

Imágenes tomadas con una diferencia de tiempo de tres meses, muestran una cadena de calderas volcánicas en la superficie de Io conocidas con el nombre de Tvashtar Catena. En el extremo izquierdo superior de las imágenes se puede observar una erupción fisural que emite un importante flujo de lavas al estilo de las lavas emitidas en la Tierra por el volcán Kilauea (Hawai). En la imagen de abajo, el frente de lavas tiene ya una longitud de unos 60 Kilómetros.

Las emanaciones de gas de las erupciones volcánicas generan en Io una tenue atmósfera de vapores de azufre. Penachos térmicos arrojan azufre fundido y vapores sulfurosos a centenares de Kilómetros de altitud hacia el espacio. Las partículas arrojadas por los penachos interaccionan con la magnetosfera de Júpiter creando un campo magnético en Io de origen externo, cuya manifestación evidente son luces de neón y fluorescencias en su cielo.

Estos sistemas de partículas interactúan también con las líneas del campo magnético joviano, creando auroras en la atmósfera superior de Júpiter y relámpagos. Contribuyen también a crear una estructura toroidal en torno a Júpiter: el “ toro“ de Io.

En el modelo que sigue a continuación demuestro cómo la extraordinaria actividad endógena de la luna Io, manifestada a través de procesos de vulcanismo extremo, tienen su origen en la enorme cantidad de energía disipada en su interior por los “tira y afloja” gravitatorios de Júpiter y otras lunas del sistema joviano; esto es: por efectos de marea gravitacional.

En última instancia, esta energía procede de la energía orbital de Io en torno a Júpiter que hace que los materiales de su interior se deformen elásticamente con una enorme generación interna de calor. Este calor funde las rocas y materiales del manto de Io, y estos magmas mediante corrientes convectivas en forma de plumas ascienden hacia la superficie del satélite abriéndose camino a través de su corteza. Al brotar originan diversos edificios volcánicos como calderas, erupciones fisurales, emisiones de gases a la atmósfera…

CÁLCULO DE LA GENERACIÓN DE CALOR EN EL INTERIOR DE LA LUNA IO (SISTEMA DE JÚPITER) POR ESFUERZOS DE MAREA GRAVITACIONAL.