camino de hielo

Camino hecho sobre agua helada en lugar de tierra

Camino de hielo en el lago Saimaa en Finlandia

Carretera de hielo entre Oulunsalo y Hailuoto . Esta es la carretera de hielo más larga de Finlandia.

Camión en la antigua carretera invernal entre Inuvik y Tuktoyaktuk

Carretera de hielo, río Sainte-Anne , Quebec , Canadá

Una carretera de hielo o un puente de hielo ^{[1] [2] [3] [4]} es una estructura hecha por el hombre que discurre sobre una superficie de agua congelada (un río, un lago o una extensión de agua de mar). ^{[5] [6] [7]} Las carreteras de hielo suelen ser parte de una carretera invernal , pero también pueden ser estructuras simples e independientes que conectan dos costas. ^{[8] [9]} Las carreteras de hielo pueden planificarse, construirse y mantenerse para que sigan siendo seguras y eficaces, y se han publicado una serie de directrices con información al respecto. ^{[1] [4] [10] [11]} Se puede construir una carretera de hielo año tras año, por ejemplo, para satisfacer las necesidades de la comunidad durante el invierno. ^{[4] [12]} También podría ser por uno o dos años, para abastecer operaciones particulares, como un proyecto hidroeléctrico ^[13] o sitios de perforación en alta mar. ^[14]

Capacidad de carga de hielo

Las presiones del agua, relacionadas con la flotabilidad del hielo , tras la carga vertical a corto plazo de una capa de hielo (adaptado de ^{[1] [5]} ). No a escala, sólo con fines ilustrativos.

La capacidad de una carretera de hielo para soportar de forma segura el peso de un vehículo (o cualquier otra carga aplicada sobre él), conocida como capacidad de carga , es la principal preocupación al diseñar, construir y utilizar esa estructura. En términos generales, una capa de hielo cargada verticalmente reaccionará de dos maneras: 1) se hundirá y 2) se doblará por flexión. ^{[1] [5]} Para cumplir con los criterios de soporte de hielo, la superficie superior no debe hundirse por debajo de la línea de flotación y la tensión de flexión aplicada no debe exceder la resistencia a la flexión del hielo . ^[15] Deben considerarse tres regímenes de carga: a) peso máximo para uso estándar o para estacionamiento de corta duración; b) una carga que permanece estacionaria durante un período de tiempo extenso; yc) carga dinámica de la capa de hielo, desde un vehículo en movimiento.

Peso máximo

Para las actividades de tráfico estándar, las pautas suelen utilizar una fórmula empírica simple para determinar el peso máximo del vehículo que debe permitirse en una carretera con hielo. ^{[11] [16]} Esta fórmula, que se propuso inicialmente en 1971, ^[17] a menudo se conoce como fórmula de Gold :

${\displaystyle P=Ah^{2}}$

donde P es la carga, h es el espesor y A es una constante con una unidad de presión. Puede estar relacionado con una respuesta elástica idealizada de la capa de hielo: ^[1]

${\displaystyle \sigma _{max}=CP/h^{2}}$, o ${\displaystyle CP=\sigma _{max}h^{2}}$

donde σ _max es la resistencia máxima a la tracción en la parte inferior de una placa de hielo infinita que descansa sobre una base elástica. El parámetro C se basa en la teoría de las placas gruesas . Por lo tanto, con esta formulación idealizada, A es representativo de la resistencia a la tracción de la capa de hielo. Aunque los valores recomendados para A oscilan entre 3,5 y 10 kg/cm ² (~50-150 lbs/in ² ), los valores límite inferiores son generalmente aquellos que se utilizan por motivos de seguridad. ^{[11] [16]} Este nivel de conservadurismo se justifica porque, a diferencia de los materiales fabricados por el hombre, como el acero o el hormigón, las capas de hielo naturales contienen inherentemente una gran cantidad de defectos estructurales (fracturas, bolsas de agua y aire). ^[2] Además, para una vía pública, que está relativamente descontrolada, este enfoque introduce un alto factor de seguridad contra avances y, por lo tanto, es deseable. Para caminos industriales, el diseño puede ser menos conservador para atender sus requisitos funcionales, es decir, se pueden usar valores A más altos, pero bajo la estrecha supervisión de un ingeniero profesional. ^{[4] [2]}

Tiempo máximo de carga

Francobordo en una carretera de hielo en diferentes intervalos de tiempo

Cuando se utiliza la fórmula de Gold, se supone una respuesta puramente elástica, que es, por definición, instantánea e independiente del tiempo de carga. El hielo, sin embargo, existe naturalmente a una temperatura homóloga elevada , es decir, cerca de su punto de fusión. Como es el caso de cualquier otro material en estas condiciones, la respuesta a la carga no sólo es elástica, sino que incorpora otros componentes, a saber: ^{[18] [19]}

1. Un componente recuperable que depende del tiempo : esto provoca el desarrollo de microfisuras, que pueden provocar fracturas y, en última instancia, un avance;
2. Un componente irrecuperable que depende del tiempo: esto se conoce comúnmente como fluencia , que está relacionado con los mecanismos responsables del flujo del glaciar (a largo plazo) y desempeña un papel insignificante en la respuesta de una carretera de hielo a la carga.

Por lo tanto, una capa de hielo puede soportar de forma segura un vehículo, pero si permanece sobre el hielo durante demasiado tiempo, la deformación continuará a través de microfisuras, lo que provocará el colapso de la capa de hielo debajo del vehículo. Las recomendaciones varían en cuanto a cómo se puede evitar esto. ^{[11] [16]} Algunas fuentes prescriben un máximo de dos horas para una carga estacionaria, ^{[20] [3] [4]} que también es lo que recomienda Gold. ^[17] Otros aconsejan utilizar el francobordo del hielo como indicador, ^{[18] [1] [2] [3]} lo que se puede hacer perforando un agujero en él y monitoreando la distancia entre el agua en el agujero y el superficie del hielo. El vehículo debe retirarse antes de que el agua llegue a la superficie en ese agujero. Otra razón por la que la cantidad de francobordo es importante es que si el agua llega a la superficie del hielo (a través de grietas y fisuras), la capacidad de carga de la capa de hielo disminuye rápidamente, lo que puede acelerar el avance. ^{[15] [1]} Para cargas a largo plazo, es posible que sea necesario consultar a un ingeniero profesional. ^[4]

Carga dinámica

Ondas de hielo causadas por un vehículo en movimiento: el desplazamiento vertical de la superficie del hielo, muy exagerado con fines ilustrativos (ver escala vertical a la derecha), se indica en función de la distancia al vehículo. Adaptado de ^[21] y basado en imágenes de satélite.

Cuando un vehículo circula por la carretera, se ejerce un régimen de carga dinámica sobre la capa de hielo. ^{[1] [4]} Por debajo de una velocidad específica, denominada crítica , la capa de hielo debajo del vehículo asumirá la forma de un cuenco que se mueve con el vehículo, empujando el agua a su alrededor, como lo hace la quilla de un barco. ^[1] A (y por encima) de la velocidad crítica, se formará una serie de ondas detrás y delante del vehículo. "Si la celeridad de estas ondas es la misma que la velocidad del vehículo, la deflexión y las tensiones en la capa de hielo se amplifican, de forma similar a la resonancia en un sistema oscilante" (p. 8-10). ^[1] La velocidad crítica depende del espesor del hielo y de la profundidad del agua. Otro problema que surge es el reflejo de estas olas desde la costa hacia el vehículo. Esto puede provocar tensiones adicionales en el hielo; una forma de mitigar este problema es evitar acercarse a las costas a 90 grados. ^[4] La velocidad crítica es la que determina el límite de velocidad para los vehículos que circulan por carreteras heladas. Ese límite puede ser tan bajo como 10 km/h (6,2 mph) a 35 km/h (22 mph). ^{[3] [4]} La carga dinámica de la capa de hielo también puede imponer una distancia mínima entre vehículos. ^{[4] [2]}

Se han realizado pruebas de campo para comprender mejor esta dinámica. ^{[22] [23] [24]} Imágenes satelitales capturaron evidencia convincente de tales patrones de ondas. ^{[25] [21]}

Planificación y construcción.

Una bomba de baja altura utilizada para inundar una superficie de hielo.

Hielo transparente cubierto por hielo blanco construido (mano/pie para la escala a la derecha)

Planos de fractura en hielo transparente: bota para escala en la parte inferior izquierda. Observe las huellas de la banda de rodadura del neumático en la parte inferior derecha.

Moto de nieve que tira de un trineo con un radar de penetración terrestre para obtener un perfil continuo del espesor del hielo.

Cuando una carretera de hielo forma parte de una carretera invernal , como suele ser el caso, su diseño y construcción se enmarca dentro de la planificación vial general, es decir, en conjunto con los tramos terrestres. ^[2] De cualquier manera, los factores que deben abordarse antes de la construcción incluyen los siguientes:

• Horario y ventanas de operación : El inicio de la operación, es decir , cuando el equipo de campo comienza a trabajar, depende del espesor del hielo que se logra naturalmente (normalmente bajo una capa de nieve). Ese espesor tiene que ser suficiente para soportar el peso del equipo liviano que luego se utiliza para quitar la capa de nieve. Esa nieve actúa como aislante y su eliminación acelera el crecimiento del hielo en la interfaz hielo-agua (a lo largo de la parte inferior de la capa de hielo).
• Tipo y volumen de tráfico : se trata de determinar los requisitos de transporte para la temporada de operación ( por ejemplo, equipos, suministros, combustible) y los medios para transportar ese material ( por ejemplo , tipos de vehículos, peso, volumen de tráfico).
• Derecho de vía de la vía : Se refiere al ancho de vía necesario para dar cabida al tráfico. Esto puede oscilar entre 30 m (98 pies) y 60 m (200 pies). Idealmente, tiene que ser lo suficientemente ancho como para dejar espacio a ambos lados para los bancos de nieve y la nieve acumulada, con espacio adicional entre esa nieve y el carril de circulación real.
• Requisitos ambientales y regulatorios : Las licencias y permisos varían de una jurisdicción a otra. Los ejemplos pueden incluir permisos de uso de la tierra por tiempo limitado y acceso a fuentes de agua (para la protección de lagos y ríos).

Los factores que deben considerarse en la selección de la ruta incluyen los siguientes: ^{[2] [3] [12]}

• Es preferible aguas más profundas para evitar problemas relacionados con la carga dinámica. El hielo a lo largo de las costas y sobre los bancos de arena es propenso a fracturarse.
• Evite zonas donde haya fuertes corrientes de agua, o junto a la desembocadura de pequeños ríos y arroyos. Como la temperatura en la interfaz hielo-agua es de 0 °C (32 °F), el flujo de agua a una temperatura ligeramente más alta erosionará térmicamente esa interfaz, reduciendo así el espesor del hielo. ^{[ cita necesaria ]}
• Considere los efectos de los cambios en el nivel del agua, por ejemplo, aguas arriba de una masa de agua regulada por represas.
• Una revisión de las condiciones históricas del hielo, utilizando conocimientos locales e imágenes satelitales, puede ayudar a descifrar áreas problemáticas recurrentes, como las crestas de hielo.

Antes del primer acceso al hielo, se deben considerar los siguientes factores: ^{[2] [4] [3]}

• Se debe tener la debida precaución: esto incluye equipo de protección personal (PPE) adecuado, como un dispositivo de flotación, capacitación adecuada y trabajo en parejas.
• Para optimizar aún más la seguridad, los equipos y accesorios deben incluir: radios bidireccionales, vehículos anfibios y cabrestantes para vehículos con ruedas.
• El espesor del hielo se puede medir con barrenas para hielo, a intervalos de distancia requeridos o utilizando un radar de penetración terrestre (GPR). Esto es importante, ya que una capa de hielo puede variar hasta un 70% en espesor en unos pocos cientos de metros, y el espesor mínimo del hielo se utiliza para determinar la capacidad de carga de toda la capa de hielo. ^[4]
• Se puede utilizar la perforación de pozos para recoger núcleos de hielo, con el fin de apreciar su estructura interna, por ejemplo, hielo blanco frente a hielo transparente. ^[12]

La retirada de la capa de nieve es la primera operación importante en un plan de construcción de carreteras heladas. ^{[2] [3] [12] [26]} Sólo podrá comenzar una vez que el espesor del hielo sea seguro para soportar la maquinaria utilizada para esa operación. Hay dos formas de hacerlo, dependiendo del equipo disponible y del estado de práctica para esa carretera en particular. Una es compactar la capa de nieve de los vehículos de orugas en una capa delgada, aumentando así su densidad y reduciendo sus propiedades aislantes. La otra es eliminarlo por completo, normalmente con vehículos equipados con un quitanieves .

Una vez que el hielo haya alcanzado el espesor objetivo (mediante un crecimiento acelerado después de eliminar los efectos aislantes de la nieve), podrá comenzar la construcción de la carretera propiamente dicha . En ese punto, el hielo es capaz de soportar con seguridad el equipo más pesado necesario para esa fase, que consiste principalmente en espesamiento artificial mediante una bomba o un sistema de aspersión. ^{[2] [5]} El objetivo es conseguir que el espesor sea el necesario para los vehículos más pesados ​​que se prevén cuando se abra la carretera de hielo.

Uso y mantenimiento

Los vehículos que circulan por una carretera helada incluyen automóviles y camiones comunes de distintos tamaños y pesos. Los neumáticos de invierno estándar son suficientes, es decir, los tacos y las cadenas para neumáticos pueden dañar la superficie de la carretera. ^{[12] [26]} Sin embargo, las cadenas para neumáticos pueden almacenarse en el vehículo para fines de emergencia; ^{[2] [4]} También pueden resultar útiles cuando se viaja por una carretera invernal con pendientes superiores al 8% en tramos terrestres. ^[2] La señalización puede indicar límites de velocidad, por ejemplo, un máximo de 25 km/h (16 mph), y espacio entre vehículos, por ejemplo, 500 m (1600 pies) para cargas de más de 12,500 kg (27,600 lb). ^{[2] [4]} Estas restricciones tienen como objetivo disminuir los riesgos de daños a la capa de hielo, lo que comprometería su capacidad para soportar el peso para el que ha sido diseñada.

El mantenimiento comprende dos tareas principales: ^{[3] [4] [2] [12]}

• Monitoreo del espesor del hielo : esto se puede hacer mediante perforaciones o una penetración del suelo mediante un radar de penetración del suelo.
• Monitoreo de transitabilidad : La superficie del hielo puede deteriorarse con el uso. También puede resultar dañado por procesos naturales, como surcos y fracturas, que normalmente son inducidos por cambios bruscos en la temperatura del aire.

Cierre de carretera

Una carretera de hielo normalmente se cierra como resultado del deterioro de la superficie de circulación o de operación, antes de que exista riesgo de falla de la capa de hielo. ^[4] El deterioro de la superficie puede ocurrir cuando la superficie del hielo se vuelve demasiado blanda o debido a una cantidad excesiva de agua derretida en su superficie. ^{[3] [26]} Los cierres de carreteras a mitad de temporada también pueden ocurrir por razones similares, y también debido a las inclemencias del tiempo, como una tormenta de nieve. ^{[3] [12]} Si la carretera de hielo forma parte de una carretera invernal, el cierre también puede deberse a que un tramo terrestre se haya vuelto inservible.

Referencias de medios

• La película de 2008 Frozen River cuenta la historia ficticia de dos mujeres que se involucran en el tráfico de inmigrantes ilegales de Canadá a los Estados Unidos conduciéndolos a través del congelado río San Lorenzo en su automóvil.

• Las carreteras de hielo de Canadá y Alaska aparecieron de manera destacada en la serie de telerrealidad Ice Road Truckers de History Channel .

• La película de suspenso de 2021 The Ice Road presenta de manera destacada caminos de hielo mientras los camioneros atraviesan el norte de Canadá para entregar suministros después de una explosión en una mina.

Ver también

• La pesca en hielo y sus senderos de hielo
• Tibbitt a Contwoyto Winter Road
• Camino de invierno
• Camino de nieve
• muelle de hielo
• carreras de hielo

Referencias

1. CRREL, 2006, Manual de ingeniería del hielo. EM 1110-2-1612. Departamento del Ejército, Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. Nueva Jersey, 475 págs.
2. Proskin, S., Groznic, E., Hayley, D., Mathison, F., McGregor, R. y Neth, V., 2011, Directrices para la construcción y operación de carreteras invernales. Asociación de Transporte de Canadá.
3. Infrastructure Health and Safety Association, 2014, Mejores prácticas para construir y trabajar de forma segura sobre capas de hielo en Ontario. Mississauga, Ontario, 44 ​​págs.
4. Gobierno de los Territorios del Noroeste, 2015, Directrices para la construcción segura de hielo. Departamento de transporte. Yellowknife, Canadá, 44 págs.
5. Masterson, D. y Løset, S., 2011, ISO 19906: Capacidad de carga de hielo y carreteras de hielo, Actas de la 21ª Conferencia Internacional sobre Ingeniería Portuaria y Oceánica en Condiciones Árticas (POAC), Montreal, Canadá.
6. Proskin, SA y Fitzgerald, A., 2019, Uso de un enfoque de estados límite para el diseño de carreteras de hielo, GeoSt.John's, St. John's.
7. Spencer, P. y Wang, R., 2018, El ancho de diseño de las carreteras de hielo flotante y el efecto de las grietas longitudinales, Actas de la Conferencia de Tecnología del Ártico (ATC), Houston.
8. Michel, B., Drouin, M., Lefebvre, LM, Rosenberg, P. y Murray, R., 1974, Puentes de hielo del Proyecto James Bay. Revista Geotécnica Canadiense, 11, pág. 599-619.
9. Goff, RD y Masterson, DM, 1986, Construcción de una isla de hielo rociado para exploración, Actas de la Quinta Conferencia Internacional sobre Mecánica Marina e Ingeniería Ártica (OMAE). Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), Tokio, págs. 105-112.
10. Fransson, L., 2009, Manual de hielo para ingenieros. Universidad Tekniska de Luleå.
11. Barrette, PD, 2015, Descripción general de las carreteras de hielo en Canadá: diseño, uso y adaptación al cambio climático. OCRE-TR-2015-011. Consejo Nacional de Investigación de Canadá, https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=5984226f-bee8-48fe-a138-5a23c800f435. Ottawa, 51 págs.
12. Gobierno de Saskatchewan, 2010, Manual de carreteras de invierno. Ministerio de Carreteras e Infraestructura, Regina.
13. Michel, B., Drouin, M., Lefebvre, LM, Rosenberg, P. y Murray, R., 1974. Puentes de hielo en el Proyecto James. Revista Geotécnica Canadiense, 11: 599-619.
14. Finucane, RG y Scher, RL, 1983, Construcción de carreteras con hielo flotante. Revista de Tecnología de Recursos Energéticos, Transacciones de ASME, 105(1), pág. 26-29.
15. Masterson, DM, 2009, Estado del arte de la capacidad de carga de hielo y la construcción de hielo. Ciencia y Tecnología de las Regiones Frías, 58, pág. 99-112.
16. Barrette, PD, 2015, Una revisión de las directrices sobre carreteras heladas en Canadá: Determinación de la capacidad de carga, Asociación de Transporte de Canadá (TAC), Charlottetown, PEI.
17. Gold, LW, 1971, Uso de cubiertas de hielo para el transporte. Revista Geotécnica Canadiense, 8, pág. 170-181.
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20. CSST, 1996, Travaux sur les champs de glace. CC 200-640 (96-12). Gobierno de Quebec, 39 págs.
21. Babaei, H., van der Sanden, J., Short, N. y Barrette, P., 2016, Deflexión de la capa de hielo del lago inducida por vehículos en movimiento: comparación de resultados teóricos con observaciones satelitales, Asociación de Transporte de Canadá (TAC), Toronto.
22. Beltaos, S., 1981, Estudios de campo sobre la respuesta de las capas de hielo flotantes a cargas en movimiento. Revista Canadiense de Ingeniería Civil, 8, pág. 1-8.
23. Takizawa, T., 1988, Respuesta de una capa de hielo flotante a una carga en constante movimiento. Revista de Investigación Geofísica, 93 (C5), pág. 5100-5112.
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25. van der Sanden, JJ y Short, NH, 2016: los satélites miden los desplazamientos de la capa de hielo inducidos por vehículos en movimiento. Ciencia y tecnología de las regiones frías, 133, p. 56-62.
26. Vaya, Marcus (23 de febrero de 2020). "La delgada línea blanca: cómo se construyen y mantienen seguras las carreteras invernales del norte de Ontario". El globo y el correo . Consultado el 11 de abril de 2022 .

enlaces externos

• Departamento de Transporte del Gobierno del Territorio del Noroeste - Carreteras de hielo / Puentes de hielo / Carreteras de invierno
• Informes del estado de las carreteras del Gobierno del Noroeste
• Construyendo la épica carretera de hielo de Canadá, artículo de Popular Mechanics .