Camino de hielo

Camino hecho sobre agua congelada en lugar de tierra.

Camino de hielo en el lago Saimaa en Finlandia

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

Camión en la antigua carretera de invierno entre Inuvik y Tuktoyaktuk

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

Una carretera de hielo o puente de hielo ^{[1] [2] [3] [4]} es una estructura hecha por el hombre que corre 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 de invierno , pero también pueden ser estructuras independientes simples, que conectan dos costas. ^{[8] [9]} Las carreteras de hielo pueden planificarse, construirse y mantenerse de manera que sigan siendo seguras y efectivas, y se han publicado varias pautas con información al respecto. ^{[1] [4] [10] [11]} Una carretera de hielo puede construirse año tras año, por ejemplo, para atender las necesidades de la comunidad durante el invierno. ^{[4] [12]} También podría ser por un solo año o dos, para abastecer operaciones particulares, como un proyecto hidroeléctrico ^[13] o sitios de perforación en alta mar. ^[14]

Capacidad de soportar hielo

Las presiones del agua, relacionadas con la flotabilidad del hielo , al aplicar una carga vertical a corto plazo a una capa de hielo (adaptado de ^{[1] [5]} ). No está a escala; solo 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 ella), 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 en flexión. ^{[1] [5]} Para cumplir con los criterios de resistencia al hielo, la superficie superior no debe hundirse por debajo de la línea de flotación y la tensión de flexión aplicada no debe superar la resistencia a la flexión del hielo . ^[15] Se deben considerar tres regímenes de carga: a) peso máximo para uso estándar o para estacionamiento durante un período corto; b) una carga que permanece estacionaria durante un período de tiempo extenso; y c) carga dinámica de la capa de hielo, desde un vehículo en movimiento.

Peso máximo

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

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

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

${\displaystyle \sigma _{\max }=CP/h^{2}{\text{ or }}CP=\sigma _{\max }h^{2}}$

donde σmax es la resistencia máxima a la tracción en la parte inferior de una placa de hielo infinita que reposa sobre una base elástica. El parámetro _C se basa en la teoría de placas gruesas . Por lo tanto, con esta formulación idealizada, A es representativa de la resistencia a la tracción de la capa de hielo. Aunque los valores recomendados para A varían de 3,5 a 10 kg/cm2 ⁽ ~50–150 lbs/in2 ⁾ , los valores límite inferiores son generalmente los que se utilizan por motivos de seguridad. ^{[11] [16]} Este nivel de conservadurismo está justificado porque, a diferencia de los materiales hechos 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 carretera pública, que está relativamente sin control, un enfoque de este tipo introduce un alto factor de seguridad contra los avances y, por lo tanto, es deseable. Para las carreteras industriales, el diseño puede ser menos conservador para manejar sus requisitos funcionales, es decir, se pueden utilizar 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

Al utilizar la fórmula de Gold, se supone una respuesta puramente elástica, que es, por definición, instantánea e independiente del tiempo de carga. Sin embargo, el hielo existe de forma natural a una temperatura homóloga alta , es decir, cerca de su punto de fusión. Como ocurre con cualquier otro material en estas condiciones, la respuesta a la carga no es solo elástica, sino que incorpora otros componentes, a saber: ^{[18] [19]}

1. Un componente recuperable dependiente del tiempo : esto provoca el desarrollo de microfisuras, que pueden provocar una fractura y, en última instancia, una ruptura;
2. Un componente irrecuperable dependiente del tiempo , comúnmente conocido como deslizamiento , que está relacionado con los mecanismos responsables del flujo del glaciar (a largo plazo) y juega un papel insignificante en la respuesta de una carretera de hielo a la carga.

Por lo tanto, una capa de hielo puede ser capaz de soportar un vehículo de forma segura, 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 es también lo que Gold recomendó. ^[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 controlando la distancia entre el agua en el agujero y la 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 se abre paso hacia 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 la ruptura. ^{[15] [1]} Para cargas a largo plazo, puede ser 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 como una función de la distancia al vehículo. Adaptado de ^[21] y basado en imágenes satelitales.

A medida que un vehículo se desplaza 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 olas detrás y delante del vehículo. "Si la celeridad de estas olas es la misma que la velocidad del vehículo, la desviación y las tensiones en la capa de hielo se amplifican, de forma similar a la resonancia en un sistema oscilante" (pp. 8-10). ^[1] La velocidad crítica depende del espesor del hielo y la profundidad del agua. Otro problema que surge es el reflejo de estas olas desde la costa hacia el vehículo. Esto puede inducir 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 lo que determina el límite de velocidad para los vehículos que circulan por carreteras con hielo. 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 dictar una distancia mínima entre vehículos. ^{[4] [2]}

Se han realizado pruebas de campo para comprender mejor esta dinámica. ^{[22] [23] [24]} Se obtuvieron pruebas contundentes de tales patrones de ondas mediante imágenes satelitales. ^{[25] [21]}

Planificación y construcción

Una bomba de baja presión 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 la escala en la parte inferior izquierda. Nótese la huella de la banda de rodadura del neumático en la parte inferior derecha.

Moto de nieve utilizada para tirar de un trineo en el que hay un radar de penetración terrestre, para obtener un perfil continuo del espesor del hielo.

Cuando una carretera de hielo forma parte de una carretera de invierno , como suele ser el caso, su diseño y construcción se incluyen dentro de la planificación general de la carretera, es decir , en conjunto con los segmentos 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 la cuadrilla de campo comienza a trabajar, depende del espesor del hielo que se alcanza de manera natural (normalmente bajo una capa de nieve). Ese espesor tiene que ser suficiente para soportar el peso del equipo ligero que se utiliza luego para retirar 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 operativa ( por ejemplo , equipo, suministros, combustible) y los medios para transportar ese material ( por ejemplo, tipos de vehículos, peso, volumen de tráfico).
• Derecho de paso : se refiere al ancho de la vía necesario para el tránsito. Puede oscilar entre 30 m (98 pies) y 60 m (200 pies). Lo ideal es que sea 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 reglamentarios : las licencias y los permisos varían de una jurisdicción a otra. Algunos 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 tenerse en cuenta en la selección de la ruta incluyen los siguientes: ^{[2] [3] [12]}

• Es preferible que las aguas sean 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 las zonas con fuertes corrientes de agua o junto a la desembocadura de pequeños ríos y arroyos. La temperatura en la interfaz entre el hielo y el agua es de 0 °C (32 °F), por lo que el flujo de agua a una temperatura ligeramente superior erosionará térmicamente esa interfaz, reduciendo así el espesor del hielo. ^{[ cita requerida ]}
• Consideremos los efectos de los cambios en el nivel del agua, por ejemplo, aguas arriba de un cuerpo de agua regulado por presas.
• Una revisión de las condiciones históricas del hielo, utilizando el conocimiento local y las imágenes satelitales, puede ayudar a descifrar áreas problemáticas recurrentes, como las dorsales de hielo.

Antes de acceder por primera vez al hielo, se deben tener en cuenta los siguientes factores: ^{[2] [4] [3]}

• Se debe tener la debida precaución, lo que incluye utilizar equipo de protección personal (EPP) adecuado, como un dispositivo de flotación, capacitación adecuada y trabajar en parejas.
• Para optimizar aún más la seguridad, los equipos y accesorios deben incluir: radios bidireccionales, vehículos anfibios y cabrestantes en 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 a lo largo de 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]
• La perforación de pozos se puede utilizar para recolectar núcleos de hielo, a fin de apreciar su estructura interna, por ejemplo, hielo blanco versus hielo transparente. ^[12]

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

Una vez que el hielo ha alcanzado el espesor deseado (mediante el crecimiento acelerado después de eliminar los efectos aislantes de la nieve), puede comenzar la construcción de la carretera propiamente dicha . En ese momento, el hielo puede soportar de manera segura el equipo más pesado requerido para esa fase, que en su mayoría consiste en espesarlo artificialmente mediante una bomba o un sistema de pulverización. ^{[2] [5]} El objetivo es aumentar el espesor hasta el requerido para los vehículos más pesados ​​que se prevé que pasarán cuando se abra la carretera de hielo.

Uso y mantenimiento

Los vehículos que circulan por una carretera helada incluyen automóviles y camiones comunes de diversos 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 se pueden almacenar en el vehículo para casos de emergencia; ^{[2] [4]} también pueden resultar útiles cuando se viaja por una carretera invernal con pendientes superiores al 8% en segmentos terrestres. ^[2] La señalización puede indicar límites de velocidad, por ejemplo, un máximo de 25 km/h (16 mph), y espaciamiento entre vehículos, por ejemplo, 500 m (1.600 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 utilizando un radar de penetración terrestre.
• Monitoreo de la transitabilidad : La superficie del hielo puede deteriorarse con el uso. También puede resultar dañada por procesos naturales, como la formación de crestas y fracturas, que suelen ser inducidos por cambios bruscos en la temperatura del aire.

Cierre de carretera

Una carretera de hielo normalmente se cerrará como resultado del deterioro de la superficie de funcionamiento o de rodadura, antes de que haya algún 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 de deshielo 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 ventisca. ^{[3] [12]} Si la carretera de hielo es parte de una carretera de invierno, entonces el cierre también puede deberse a un segmento terrestre que se ha vuelto intransitable.

Refuerzo de carreteras de hielo

Un ejemplo de refuerzo de la capa de hielo, donde cuatro capas de troncos de madera apilados se congelaron en el hielo (en, ^[27] de una descripción proporcionada en ^[17] ).

Los cruces de hielo se pueden hacer para soportar cargas más altas si se refuerzan, y hay varias formas de hacerlo en el pasado. ^{[27] [28] [29]} Además, estas estructuras son vulnerables al calentamiento del clima. ^{[30] [31]} La razón principal es que para lograr un espesor de hielo seguro antes de que comience la construcción, y con un clima progresivamente más cálido en la temporada de otoño, la carretera se abre más tarde, acortando así la ventana operativa de la estructura. Además, si la carretera de hielo es parte de una red de carreteras de invierno , se puede utilizar el refuerzo de hielo para abordar segmentos problemáticos, como cruces de arroyos o desembarcaderos.

Referencias en los medios

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

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

• La película de suspenso de 2021 The Ice Road muestra de manera destacada las carreteras de hielo mientras los camioneros recorren el norte de Canadá para entregar suministros después de una explosión en una mina.

Véase también

• La pesca en el hielo y sus rutas de hielo
• Carretera invernal de Tibbitt a Contwoyto
• Camino de invierno
• Camino de nieve
• Muelle de hielo
• Carreras sobre hielo

Referencias

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Enlaces externos

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