Informe del proyecto: Construcción de una conexión entre Detroit y Windsor

La torre de escaleras completamente instalada, muy por encima del río cubierto de nubes. (Foto: Bridging North America y DH Charles Engineering, Inc.)

En octubre de 2020, Universal Manufacturing se puso en contacto con DH Charles Engineering (DHC) para comenzar el proceso de planificación para proporcionar acceso de los trabajadores al encofrado de hormigón trepador para los pilares del nuevo Puente Internacional Gordie Howe.

Primera etapa de la torre de escaleras. Ubicada sobre el suelo, permitió el acceso desde el nivel del suelo hasta aproximadamente 215 pies, lo que permitió el acceso a la primera serie de vertidos de hormigón. (Foto: Bridging North America y DH Charles Engineering, Inc.)

Los requisitos de acceso a las torres de escaleras consistían en proporcionar un acceso secundario en lugar del acceso por ascensor al encofrado trepador, al mismo tiempo que se abordaba la salida de emergencia si los ascensores no estaban en funcionamiento. El paquete de planos, preparado por Universal y revisado y sellado por DHC, describía secciones detalladas de las torres de escaleras que se construirían a nivel y se izarían a su lugar a medida que los vertidos de los pilares progresaran en altura. Debido a esto, las torres de escaleras tenían que tener la capacidad de aumentar en altura junto con los propios pilares. Además, estaba el problema de la estabilidad lateral. Con un sitio de proyecto directamente en las orillas del río Detroit y se esperaba que estuviera en su lugar durante años, el andamio estaría expuesto a algunas de las condiciones climáticas estacionales más duras posibles.

Como complicación adicional, debido a la forma en forma de A de los pilares, por cada pie de aumento de altura, los pilares se desplazarían 2 pulgadas hacia el lado, y finalmente llegarían a una altura de más de 72 pies desde el punto de partida en la base. Dado que las torres de escaleras tendrían que estar atadas rígidamente a los pilares para lograr estabilidad lateral, esto significaba que, a medida que el andamio aumentaba en altura, los tirantes se volverían más largos y más asimétricos. Superar este obstáculo crítico se convertiría en un aspecto clave del diseño del andamio.

A medida que los pilares aumentaban de altura, se inclinaban uno hacia el otro y finalmente se juntaban en la parte superior. Esto creó el complejo desafío de diseño de tener que utilizar grandes distancias entre los tirantes y amarrarlo a una estructura cuya ubicación cambiaba con la altura. (Foto: Bridging North America y DH Charles Engineering, Inc.)

Planificación para la altura

Como nuestro vecino del norte, no debería sorprender que Canadá sea uno de los principales socios comerciales de los Estados Unidos. Pero lo que puede resultar sorprendente es la gran cantidad de comercio que se mueve entre los dos: más de 664 mil millones de dólares solo en 2021. Aún más impresionante es que casi una cuarta parte de ese comercio se mueve por el río Detroit entre la ciudad canadiense de Windsor y Detroit, Michigan. Es por esta misma razón que en 2004 se comenzó a construir un nuevo puente que une las dos ciudades de entrada. Después de más de una década de planificación y preparación, la construcción del Puente Internacional Gordie Howe se inició en 2018 por un consorcio de empresas de construcción que se unieron como Bridging North America (BNA). En última instancia, el puente se extendería más de media milla, y la silueta icónica del puente estaría determinada por dos pilares en forma de A que se elevan 722 pies sobre el río.

Torres de escaleras durante la etapa 2, que muestran el complejo diseño de los tirantes que sujetan las torres a los pilares en ángulo que se utilizarían en las tres fases. (Foto: Bridging North America y DH Charles Engineering, Inc.)

En 2020, BNA encargó a Universal Manufacturing que proporcionara una solución para el acceso de los trabajadores al encofrado de hormigón trepador que se utilizaría para verter el pilar del puente US Main Span. Finalmente, con una altura máxima de casi 550 pies desde el nivel del suelo hasta la unión de las dos patas, la altura y la geometría del diseño del pilar eran significativas. Y si bien habría montacargas disponibles, la necesidad de una fuente de salida segura, confiable y a prueba de fallas para los trabajadores durante toda la fase de construcción era fundamental.

Factores de diseño

Durante el proceso de diseño inicial se tuvieron que tener en cuenta varios factores. Al principio del proyecto se necesitaban dos torres de escaleras independientes, ya que el espacio entre las dos patas del pilar era demasiado grande para que se pudiera cubrir con los dos encofrados de escalada. Una vez que se alcanzó una elevación de aproximadamente 225 pies en ambas patas, se instaló un puente peatonal sobre el encofrado de escalada y la torre de escaleras del lado sur continuaría elevándose hasta la altura requerida de casi 550 pies de altura.

La torre de escaleras está completamente instalada y el nuevo pilar está casi en su altura máxima. (Foto: Bridging North America y DH Charles Engineering, Inc.)

Una vez que Universal Manufacturing y BNA acordaron un concepto general, Chris Cox de Universal se puso en contacto con Mark Palmatier de DH Charles Engineering. Desde el principio, un aspecto importante del diseño del andamio fue la gran altura que se necesitaba alcanzar. Con casi 550 pies de altura, solo el peso de los componentes del andamio en una torre de escaleras continua superaría las capacidades de los componentes, incluso antes de tener en cuenta cualquier tipo de carga viva del trabajador.

Además de eso, y posiblemente el mayor obstáculo de diseño, estaba el asegurar que las torres de escaleras estuvieran firmemente sujetas a las estructuras de los pilares. Para un sistema que estaría en funcionamiento durante varias temporadas y sujeto a algunos de los entornos más duros, un sistema de amarre rígido y robusto era esencial y se convirtió en un punto focal en el diseño.

Debido a la forma de A del pilar del puente, a medida que las patas del pilar aumentaban en altura, se inclinaban una hacia la otra y finalmente se encontraban en la parte superior. Desde el punto de vista del diseño del andamio, esto generó una situación de disposición y amarre cada vez más compleja: a medida que el andamio se hacía progresivamente más alto, la estructura a la que se amarraba el andamio para lograr estabilidad lateral se alejaba cada vez más. Finalmente, se determinó que un enfoque de tres fases era el mejor equilibrio para proporcionar un acceso que alcanzara casi 550 pies de altura. La base del andamio se colocaría a nivel y alcanzaría una altura máxima de ~214 pies.

Las escaleras ofrecieron una opción de salida de emergencia fundamental para los trabajadores que se encontraban en la parte superior del muelle de 550 pies de altura. (Foto: Bridging North America y DH Charles Engineering, Inc.)

En ese punto, se aseguraría una estructura de plataforma de acero al pilar del puente sobre el que se colocaría la torre de escaleras de la Fase 2 y se extendería 157 pies adicionales de altura. Una segunda plataforma de acero se anclaría a la estructura del puente a casi 371 pies sobre el suelo. Reubicada en esta plataforma final, la escalera de la Fase 3 alcanzaría los 173 pies y permitiría el acceso al punto donde se unirían las dos patas del marco en forma de A. Para cada torre de escaleras que descansa sobre plataformas, la base se movió para posicionar la torre de escaleras para abordar la pendiente del pilar. Las plataformas de reubicación de acero fueron diseñadas finalmente por una oficina de consultoría independiente, por lo que la carga y las fuerzas de diseño potenciales que impartirían las torres de escaleras se proporcionaron y coordinaron con el equipo de diseño de la plataforma.

Una vez controlada la altura y el peso de las escaleras, la atención se centró en los tirantes del andamio. Situado en las orillas del río Detroit y significativamente más alto que cualquier estructura de los alrededores, habría poco alivio de los fuertes vientos que pueden formarse en la región. Esto sería especialmente cierto para el andamio más alto de la Fase 3.

Alcanzando el cielo

No solo soportaría la fuerza total de vientos de hasta 169 km/h, sino que, además, en la sección más alta, la torre de escaleras estaría desplazada de la estructura del pilar casi 6 metros en dos direcciones. Esto significaba que cualquier refuerzo que se apoyara en el pilar soportaría una intensa carga asimétrica con longitudes de amarre superiores a 7,6 metros. Para garantizar que las fuerzas que absorbería la torre de escaleras se calcularan con precisión, cada fase de las escaleras se construyó en un modelo de análisis de elementos finitos y se analizó en diversas condiciones de carga de viento. Los modelos no solo consideraron la altura de cada sección de escalera construida, sino también la elevación y la duración de su instalación. En cada ubicación de amarre, se recopilaron las fuerzas máximas y mínimas y se utilizaron para calcular la carga en el peor de los casos, tanto en tensión como en compresión.

Diseñadas para crecer a medida que avanzaba el proyecto, las torres de escaleras brindaban acceso a múltiples aspectos del puente, desde el tablero hasta el encofrado de los pilares. (Foto: Bridging North America y DH Charles Engineering, Inc.)

Debido a las distancias que debían cubrir los tirantes, se tomó la decisión desde el principio de utilizar cerchas de andamio modulares como componentes de los tirantes rígidos, que se reforzaron aún más con conexiones de abrazaderas y tubos laterales entre las cerchas. Aprovechar la resistencia inherente del larguero de cercha doble en un componente prefabricado hizo que la instalación fuera significativamente más sencilla que intentar la misma configuración con tubos de andamio individuales. Debido a que las longitudes y los ángulos de los tirantes variaban en cada ubicación de los tirantes a medida que el pilar se desplazaba en relación con las escaleras, se modeló el arriostramiento en cada nivel de los tirantes, con un total de 26 modelos al finalizar el proyecto.

DHC se llevó a casa el premio al Proyecto de colaboración industrial del año 2023 de la Asociación de la industria de andamios y acceso por su trabajo.