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¿QUÉ ES UN PUENTE? Estructura construida con el fin de permitir a una vía de comunicación cruzar un cauce (río, barranco, etcétera) o bien atravesar otra vía de comunicación, sin que existan problemas de mezcla de los tráficos de ambas. En su construcción, se deben cuidar muchos e importantes aspectos, tales como: estabilidad, resistencia al desplazamiento y a la rotura, etcétera. Generalidades En realidad, la definición anterior no es del todo completa, pues sólo se considerará como puente si la separación entre apoyos supera los 10 m; si ésta estuviera comprendida entre los 3 y 10 m, se trataría de un “pontón”, y de una “tajea” si fuera menor de 3 m. El nombre de viaducto suele asignarse a un puente cuando sus dimensiones son desproporcionadas con respecto al cauce que salva; éstas vienen dadas por la necesidad de evitar pendientes grandes en la vía de comunicación; así, si el obstáculo es un río, el viaducto atraviesa el valle por cuyo fondo discurre aquél. Un puente siempre recibe el nombre de la vía de comunicación que pasa sobre el mismo; por ejemplo, un puente por el que una carretera cruza sobre un ferrocarril, se denominará “puente de carretera”; cuando sobre el puente pasa un canal, recibe el nombre de acueducto.

ANTECEDENTES Antecedentes históricos El puente es una de las construcciones de orígenes más remotos en la Historia. Hoy en día existen en la selva amazónica puentes colgantes fabricados con un entramado de lianas y hierbas que posiblemente sean semejantes a los que se construirían en la prehistoria. De éstos se pasaría a los de maderas apoyadas sobre troncos. Alrededor del año 70 a.C. se construyeron en China los primeros puentes colgantes (puentes de cuerda dotados de tablas que facilitan el paso), que fueron sustituidos por puentes colgantes de hierro hacia el 250 de nuestra era. La civilización romana construyó numerosos puentes con finalidades muy diversas; destacan los de piedra, y entre los muchos construidos sobresale el que cruza el río Tíber en Roma, en el que se utilizó un entramado de hierro con el cual se confería estabilidad al arco construido sobre andamios huecos. En España, los romanos legaron el puente de Alcántara, sobre el río Tajo (puente de carretera) y el acueducto de Segovia. El puente de Alcántara, construido por el arquitecto romano Cayo Julio Lácer en las cercanías de la frontera actual entre España y Portugal, presenta seis arcos y una longitud de 194 m, y alcanza una altura de 40 m por encima del nivel medio del río. Posteriores a esta época, existen en España puentes de piedra románicos, mudéjares, góticos y renacentistas. En 1741, se tendió el primer puente europeo colgante de cadenas sobre el río Tees, al noreste de Inglaterra. Presenta 24,5 m de longitud y una anchura de 0,7 m, pues estaba destinado únicamente al paso de peatones. Para los técnicos de la época era más fácil calcular la estática de un puente colgante que la de un puente de arco, que los ingenieros de entonces no se atrevían a realizar aún. En 1780, se construyó en

Inglaterra el primer puente metálico, de arco y realizado en fundición, dotado de cinco costillas de hierro fundido, que configuran un único arco redondo de 30 m de anchura. Desde esta fecha, los “puentes metálicos” se multiplicaron; se pasó de la fundición al hierro laminado, y más tarde al acero. En 1803 se construyó en París el primer puente de hierro francés. Se calculó, con la mayor de las precisiones posibles, el juego de fuerzas en este tipo de construcciones abovedadas, y se determinaron, a su vez, los valores correspondientes a los materiales mediante ensayos de tracción, cizalladura y rotura. En 1804 el ingeniero británico Walter concibió por primera vez un puente metálico giratorio. Los puentes metálicos pueden ser de celosía y alma llena. Los primeros están formados por un entramado de piezas rectas (triangulación), unidos por sus extremos por roblones o soldaduras, donde cada pieza es un perfil laminado o combinación de ellos. Los de alma llena constan de una gran viga de sección parecida a la I, lograda por combinación de chapas planas, o de perfiles laminados y chapas planas. Los primeros puentes fueron hechos con troncos o tablones y eventualmente con piedras, usando un soporte simple o colocando vigas transversales. La mayoría de los puentes en la antigüedad eran muy pobremente construidos y raramente soportaban cargas pesadas. Fue esta insuficiencia la que llevó al desarrollo de mejores puentes. El arco fue usado por primera vez por el Imperio romano para puentes y acueductos, algunos de los cuales todavía se mantienen en pie. Los puentes basados en arcos podían soportar condiciones que antes habrían destruido a cualquier puente. Durante el siglo XVIII hubo muchas innovaciones en el diseño de puentes con vigas por parte de Hans Ulrich, Johannes Grubenmann, y otros. El primer libro de ingeniería para la construcción de puentes fue escrito por Hubert Gautier en 1716. Con la Revolución industrial en el siglo XIX, los sistemas de celosía de hierro forjado fueron desarrollados para puentes más grandes, pero el hierro no tenía la fuerza elástica para soportar grandes cargas. Con la llegada del acero que tiene un alto límite elástico, fueron construidos puentes mucho más largos utilizando las ideas de Gustave Eiffel.

MARCO TEÓRICO Un puente es una estructura destinada a salvar obstáculos naturales, como ríos, valles, lagos o brazos de mar; y obstáculos artificiales, como vías férreas o carreteras, con el fin de unir caminos de viajeros, animales y mercancías. Los puentes colgantes son sostenidos por un arco invertido formado por numerosos cables de acero, del que se suspende el tablero del puente mediante tirantes verticales. A través de los siglos, con la introducción y mejora de distintos materiales de construcción, los puentes han sido capaces en la actualidad de soportar el tráfico rodado e incluso líneas de ferrocarril ligeras.

Las formas cónicas utilizadas en el diseño de puentes se representan como graficas de una ecuación de segundo grado en las coordenadas “X” y “Y”. Existen 4 tipos de formas cónicas: hipérbola, parábola, elipse y círculo (2). La parábola se define como el lugar geométrico de los puntos de un plano que equidistan una recta (eje o directriz) y un punto fijo llamado foco (1). En el presente trabajo se utilizaron estas ecuaciones para diseñar el prototipo de un puente. El objetivo general del presente trabajo es elaborar un puente a escala 1:200 con estructura arqueada que represente 80 m de longitud, con alturas como se indican en la figura. Los tensores verticales se calcularon a 10m.

METODOLOGÍA Y DESARROLLO Para calcular ambas parábolas como se indica en la imagen tenemos que usar la ecuación general de la parábola la cual nos arroja dos ecuaciones. De acuerdo con estas ecuaciones los datos correspondientes al eje x del plano cartesiano son organizados en coordenadas que sirven como base para calcular las parábolas y soportes, posteriormente para calcular la distancia de cada soporte se usó la ecuación de la distancia en la cual se utilizan los datos de las coordenadas de ambas parábolas. Para determinar la longitud del arco usamos el cálculo integral. Una vez terminados los cálculos matemáticos llevamos a cabo la realización del plano en papel albanen, primero se trazó un plano cartesiano, en el cual se localizaron las dos parábolas a 16 cm y 32 cm a escala 1:200. Posteriormente se dividió el eje “x” en 8 partes, mientras el eje “y” se dividió en 16 partes. Dichas divisiones de ambos ejes se utilizaron para localizar los puntos de las dos parábolas. Por último, para el diseño del prototipo en maqueta del puente, nos basamos en las dimensiones trazadas en el plano, obteniendo una forma parabólica.

CONCEPCION ESTRUCTURAL DE UN PUENTE Como una definición puntual y general sobre el diseño de puentes tenemos que “el diseño de puentes es un arte mezclado con todas las disciplinas estudiadas”. En razón del propósito de estas estructuras y las diversas formas arquitectónicas adoptadas se pueden definir como; “obras de arte destinadas a salvar corrientes de agua, depresiones del relieve topográfico, cruces a desnivel que garanticen una circulación fluida y continua de peatones, agua, ductos de los diferentes servicios, vehículos y otros que reducen en la calidad de vida de los pueblos”.

Los puentes están constituidos por una SUPERESTRUCTURA y una SUBESTRUCTURA, dentro de los tipos de proyectos de superestructuras los puentes se clasifican de acuerdo por: el material predominante, por la función que cumplen, por el sistema estructural elegido, por la sección del conjunto tablero-vigas.

SUPERESTRUCTURA La superestructura es la parte de una construcción que está por encima del nivel del suelo. Se diferencia, por lo tanto, de la infraestructura (la parte de la construcción que se encuentra bajo el nivel del suelo).

SUBESTRUCTURA El diseño de la subestructura influye directamente en la configuración de la superestructura. Por ejemplo, la ubicación de los estribos determina la longitud total del puente y el número de pilares controla el peralte de las vigas. Asimismo, la calidad de la subestructura controla el nivel de funcionamiento del puente. Este diseño de la subestructura requiere mayores consideraciones debido está expuesta a varios tipos de cargas como de la superestructura, de agua, de relleno y del suelo de cimentación con sus respectivos tipos de falla como vuelco, deslizamiento o presión portante. Además, el diseño se complica de inesperadas condiciones geológicas, o complicadas geometrías de tableros con curvas horizontales o verticales. Tipos de puentes La elección de uno u otro material y método de construcción no suele hacerse por simple cálculo económico comparativo de las diversas soluciones posibles, sino que se tienen en cuenta otros factores, como espesores y luces deseados, cargas de uso y resistencia del terreno donde se llevará a cabo la cimentación. Los puentes se construyen para soportar las cargas acostumbradas, y tienen gran importancia las acciones ecológicas o del medio, entre las cuales se cuentan: el efecto de la temperatura, acción del viento y, aunque se consideran con menos frecuencia, el efecto de la humedad, el de choque de vehículos y el de asientos del terreno.

Según la forma de resistir la estructura, un puente puede ser: de arco, de tramo recto y colgante. Puentes de arco Responden al concepto más generalizado de puente y en ellos se incluyen todos los de piedra. Considerado como estructura, el arco se caracteriza porque en él sólo existen esfuerzos de compresión; cada “dovela” (rebanada o sección de arco) recibe de la anterior y transmite a la siguiente, esfuerzos normales a la superficie de separación y así, al llegar a los apoyos, sólo existe un esfuerzo vertical de compresión. Como la piedra sólo puede soportar compresiones, hasta que no se aplican otros materiales, los puentes son siempre de arco. El puente de arco ha de llevar una plataforma para el paso de vehículos, es el denominado “tablero”. Según su posición relativa al arco, el puente de arco podrá ser de tablero superior, intermedio e inferior. El arco suele ser circular, pero en algunas pasarelas de peatones se ha aplicado el arco parabólico, con la ventaja de que el tablero se adapta a la forma parabólica en lugar de ser recto, lo que logra un aspecto estético. Los materiales más utilizados en la actualidad son: el hormigón armado y la celosía de acero. En arcos de hormigón se ha alcanzado una luz de 300 m; el mayor que existe en España, y que fue récord mundial durante algunos años, es el viaducto del Esla, en el ferrocarril de Zamora a Orense; es de tablero superior y tiene una longitud de 210 m. En arcos de celosía metálica se han alcanzado luces de hasta 500 m. Del puente de arco derivan otros dos tipos. El primero es el de “arcos múltiples”, generalmente de hormigón, solución que suele aplicarse a viaductos; a este tipo pertenece el del Esla, citado anteriormente. El segundo es el puente de arco “atirantado” o puente de “bóveda”, que sólo cumple en parte el principio resistente de los arcos. En efecto, el arco no está completo, por lo que el esfuerzo en los apoyos no es vertical, sino que tiene una componente horizontal; estas componentes se contrarrestan con un tirante de un material que puede resistir esfuerzos de tracción, como el hormigón armado y el acero. Dicho tirante se suele colocar a la altura del tablero. Son frecuentes los puentes de este tipo en los que el arco es de celosía metálica y el tirante una viga metálica de alma llena; también se utiliza en ocasiones el

hormigón pretensado. En la construcción se suele acudir al uso de “cimbras”, que son andamiajes que reproducen la forma del puente. Puentes de tramo recto Las soluciones posibles son diferentes según tenga el puente uno o varios tramos. Con un solo tramo, la solución más elemental es la de un tablero apoyado sobre dos elementos verticales, con el inconveniente de que el tablero trabaja a flexión al paso de cargas; por eso se pueden inclinar los apoyos hacia el centro del puente, disminuyendo la luz y consecuentemente el valor de la flexión. De esta solución se pasa a hacer solidarios los elementos vertical y horizontal, formando un pórtico, con el inconveniente de tener que considerar la temperatura en el cálculo. Otro tipo de puente es el de “voladizos compensados”, aporticado o no, y con la variante de apoyos con dos voladizos, solución muy empleada hoy en día. Los puentes de varios tramos se logran generalmente por repetición de elementos como los anteriores, dando lugar a un nuevo tipo de puente: el de pórtico múltiple. Los puentes de tramo recto pueden realizarse en hormigón armado, pretensado y metálico de celosía o alma llena; estos últimos suelen ser de canto variable, que mejora el aspecto estético y se adapta a la ley de flexiones. Los métodos constructivos suelen ser muy diversos: por ejemplo, se utiliza el de la viga de celosía autolanzable, que permite, una vez construidos los apoyos, colocar la viga de celosía ya fabricada, haciéndola avanzar convenientemente contrapesada. Este mismo método puede servir, utilizando la viga como cimbra, para construir puentes de cualquier otro material; por ejemplo, en los de hormigón no prefabricado, para sujetar el encofrado y colocar el hormigón “in situ”. Como el puente es una estructura donde hay elementos que se repiten, la prefabricación es aplicada exhaustivamente, por la ganancia de tiempo que se logra, pues, una vez terminados los apoyos, basta colocar las vigas que se tienen fabricadas de antemano, lo que se podrá realizar con grúas que avancen sobre la parte de puente ya construida. Una técnica que cada vez es más utilizada es la de prefabricación de dovelas y colocación de las mismas en los puentes de ménsulas compensadas. Consiste en construir el apoyo y unos cinco metros de viga a cada lado; sobre éstos se montan dos carros que servirán de medio auxiliar para la puesta en obra de las dovelas. Una vez colocada la primera de éstas, se tensa su armadura y queda

preparada para que el carro avance sobre ella y se pueda colocar la siguiente; al final, los voladizos contiguos se hacen solidarios o bien se articulan. Éste es un método de “postensado” que no se debe confundir con el pretensado: los principios de ambos métodos son los siguientes: en el pretensado, las armaduras, de acero muy resistente, se someten a tracción, se hormigona y, terminado el fraguado, las armaduras se anclan en sus extremos y se sueltan; queda la pieza sometida a una compresión y, por tanto, apta para resistir tracciones mayores que una pieza armada normal; en el “postensado”, por el contrario, la pieza se hormigona conteniendo unos tubos por los que se introducen las armaduras, una vez terminado el fraguado; se tensan y se anclan los extremos mediante unos tacos; queda la armadura traccionada y la pieza comprimida. La sección de las vigas prefabricadas suele ser en T o tipo cajón. Puentes colgantes En este tipo de puentes el tablero cuelga mediante unos tirantes, sometidos a tracción, de cables sustentadores que, a su vez, son soportados por unas altas pilas y cuyos extremos se anclan en macizos de hormigón empotrados en el terreno. El tablero suele ser una viga metálica de celosía metálica, para que tenga la rigidez adecuada. Los cables metálicos adoptan la forma parabólica y son de gran flexibilidad, aunque sus diámetros alcanzan el metro. En el cálculo de estos puentes es esencial considerar el efecto del viento porque se trata de estructuras muy ligeras para las luces que salvan. Son el tipo de puentes indicados para grandes luces, como en desembocaduras de ríos cuya navegabilidad quiera conservarse. La luz máxima alcanzada es de 1.298 m, en el Verrazano Bridge, en Nueva York; sin embargo, el puente colgante más largo del mundo es el Mackinac, también en Estados Unidos. En Europa, el mayor es el de Lisboa, sobre el río Tajo. El principio resistente del puente colgante está pensado para la estructura metálica, pero últimamente se ha aplicado el hormigón pretensado, como por ejemplo en el puente de Maracaibo, en Venezuela. Puentes especiales Si se precisa mantener la navegabilidad de un río, pero no es posible, por motivos económicos, la construcción de un puente colgante o de otro tipo que permita el paso de buques bajo ellos, se construye un puente con un tramo

basculante, levadizo, rodante o giratorio, que, en el momento necesario, permita que el río pueda ser navegable, aun a expensas de cortar temporalmente la circulación de la otra vía. Dependiendo del tipo de movimiento que lleve a cabo el puente, se pueden distinguir, como ya se ha dicho, diversos modelos. Los puentes giratorios, que giran alrededor de un eje vertical; los puentes basculantes, que se levantan girando alrededor de un eje horizontal; los puentes levadizos, en los cuales una parte de su estructura se eleva a lo largo de guías paralelas en posición vertical; y los puentes corredizos, que se desplazan hacia delante y hacia atrás, horizontalmente y a lo largo de su eje longitudinal. Otros puentes que se apartan de los tipos descritos son los que se apoyan en pontones y que, o bien se construyen con fines bélicos, provisionalmente, o bien, si las cargas van a ser poco importantes, por motivos económicos, se acude a la sustitución de las pilas por pontones fondeados, entonces es definitiva su construcción.

POR EL MATERIAL PREDOMINANTE: Puentes de concreto: puentes de concreto reforzado, puentes de concreto pre esforzado Puentes de acero: La mayoría de los puentes modernos sin embargo se construyen utilizando acero, ya que es más flexible y más fuerte que el hierro. Los ingenieros hablan sobre los puentes en función de su diseño. Los tipos más comunes son el voladizo, viga, arco, armadura y diseños con suspensión. Puentes de otros materiales: puentes de madera, puentes de aluminio, puentes de piedra, puentes de fibra de vidrio-plástico.

POR LA FUNCIÓN QUE CUMPLEN: Puentes carreteros o camineros: En la actualidad, el sistema carretero nacional alcanza los 240 000 Km. de longitud, de los que destacan por su importancia 46 000 Km., que conforman la Red Federal Carretera. Dentro de este sistema, se cuenta con 6 500, puentes, con más de 6 m y que en total conforman aproximadamente 200 Km.

Puentes de ferrocarril: Obra destinada a permitir que la vía férrea mantenga su continuidad física y geométrica en aquellas zonas en que el terreno no la presenta. Puentes

peatonales:

El puente

peatonal

o,

como

construcción

cerrada, skyway permite el paso de peatones sobre cuerpos de agua, vías de tráfico o vallesen las montañas. Se pueden construir en diferentes tipos de materiales. Los hay estáticos y móviles (que se pliegan, giran o elevan). Los tamaños son muy diversos desde unos pocos metros hasta cientos de metros. Debido a la poca carga para la que están concebidos y a la limitada longitud que han de atravesar, el diseño de los mismos puede ser muy diverso. Puentes viaducto: puente para el paso de un camino o una vía férrea sobre una hondonada: se ha tendido un viaducto para superar el desnivel del cauce de un rio. Puente a desnivel: es el proceso de la adaptación de un cruce de dos o más ejes de transporte a diferentes alturas para no interrumpir el flujo de tráfico entre otras rutas de tránsito cuando se cruzan entre sí. La composición de esos ejes de transporte no tiene que ser uniforme, sino que puede consistir en una mezcla

de

caminos,

senderos,

vías

férreas,

canales,

o

pistas

de

aeropuertos. Túneles, puentes, viaductos o combinaciones entre estos pueden ser construidos en un cruce para lograr el grado necesario de separación. Puentes acueducto: Entendemos por acueducto a aquellas construcciones que tienen por objetivo principal la conducción del agua desde un punto hasta otro para permitir que personas o comunidades tengan acceso a ella. El acueducto es, tal como lo dice su nombre, un conducto exclusivo para el agua y no para otros elementos como el transporte, personas u objetos. Los acueductos más famosos son los que quedan hasta el día de hoy en pie en gran parte de Europa y que han sido construidos en el período de máximo poder del imperio romano en la Antigüedad. Estos acueductos, a veces confundidos con puentes, están hechos completamente en piedra y son obras maestras de la ingeniería. Puentes especiales: La estructura de un puente no está constituida de un único material, por lo cual, esta clasificación difícilmente se adapta a la

realidad. Por ejemplo, los puentes de arcos hechos con mampostería de ladrillos, normalmente tienen las bases construidas con mampostería de piedra ya que de este modo resultan más consistentes y más duraderos al embate de las aguas de un río.

POR EL SISTEMA ESTRUCTURAL: Puentes simplemente apoyados (son puentes de un solo tramos con dos apoyos, uno fijo y el otro móvil), Puentes continuos (son puentes de más de un tramo por lo tanto la subestructura está conformada por dos estribos y uno o más pilares), Puentes tipo pórtico (son puentes en donde las vigas que soportan el tablero se construyen monolíticos con los pilares o los estribos), Puentes tipo Gerber, Puentes de armaduras (son puentes en donde la estructura portante principal son las armaduras o reticulados que transmiten las cargas a los apoyos), Puentes en arco (son puentes en el que la estructura portante principal, es el arco o los arcos que transmiten las cargas al apoyo), (Puentes de tablero superior, Puentes de tablero intermedio, puentes de tablero inferior), Puentes en arco de tímpano abierto, Puentes en arco de tímpano relleno(son puentes en los cuales encima del arco se rellena por lo que es necesaria proyectar pantallas laterales), Puentes atirantados (son puentes en donde la estructura portante principal está conformada por los tirantes, el pilón o torre y el tablero que es soportado por los tirantes. Los pilones cumplen un papel muy importante que soportan y transmiten el peso total de la estructura al terreno a través de la cimentación), Puentes colgantes (son puentes en donde la estructura principal está conformada por los cables portantes que adoptan la forma de una catenaria, las torres, las péndolas, la viga de rigidez y la cámara de anclaje), Puentes extradosados (este tipo de puentes tienen una configuración parecida al puente atirantado pero su comportamiento y enfoque de diseño es muy diferente), Puentes especiales, Puentes móviles, Puentes flotantes.

POR LA SECCIÓN DEL CONJUNTO TABLERO-VIGAS: Puente tipo losa: son puentes que dan paso a ríos normalmente de un ancho de cauce de 10 m. normalmente se diseñan de concreto reforzado.

Puente tipo vigas T: son puentes que se diseñan en concreto reforzado o concreto preesforzado. En nuestro país se plantean de una sola luz o continuos para cubrir entre 11 y 35 m. Puente vigas tipo I: son puentes que se proyectan generalmente en concreto preesforzado y prefabricado. En nuestro país se plantean en puentes de una sola luz para cubrir entre 25 y 40 m. Puente sección compuesta: son puentes que se plantean de una sola luz para cubrir entre 25 y 70 m. también se proyectan puentes continuos. Puente sección cajón: En nuestro país se plantean generalmente cuando se proyectan puentes continuos o aporticados. Las longitudes entre apoyos son variables y pueden superar los 200 m. o más Puente tipo cajón prefabricado. Puentes segmentales (o segmentados, o lanzados, o por dovelas). Puentes modulares. Criterios para elegir el tipo de superestructura: aspectos económicos, aspectos constructivos, plazos de entrega, interferencias, disponibilidad de equipos, disponibilidad de materiales, consideraciones estéticas. Aspectos económicos: este costo está bastante ligada a la luz libre o la distancia entre apoyos. Sabemos que los efectos de flexión varían con el cuadrado de la luz y los desplazamientos o deformaciones varían de acuerdo a la luz. De todos los documentos encontrados en páginas web, libros, manuales, etc. Tomaremos prioridad con nuestro manual de diseño de puentes del MTC-2003, el cual nos brinda pautas necesarias para el planeamiento, el análisis y el diseño, de puentes carreteros y de puentes peatonales. Se especifican en cada caso los requisitos mínimos, quedando a criterio nuestro utilizar límites más estrictos o complementar estas especificaciones en lo mejor posible, teniendo en cuenta la zona, el terreno, el clima, etc. Los cuales son un factor fundamental para determinar el tipo de puente a diseñar y/o ejecutar.

Dentro de los diferentes aspectos a considerar para el desarrollo de un proyecto consideraremos los siguientes: estudios topográficos, hidrológicos e hidráulicos, geológicos, geotécnicos, de riesgo sísmico, impacto ambiental, tráfico, alternativas de diseño vial, alternativas de anteproyecto y factibilidad, estos aspectos tienen singulares importancias por las muy variadas condiciones y a menudo difícilmente impuestas por la geografía y los desastres naturales. Criterios para un análisis y diseño sísmico y/o estructural de los diversos tipos de puentes  

Para un análisis sísmico no se toma en cuenta las cargas móviles. Para un diseño estructural se toma en cuenta solo las cargas permanentes.