PUENTES Ing. Henry Paris CIV 1833 Capitulo 9 - 1 Indice Puente Wandree - Belgica DESCRIPCION DE PUENTES AVANZADOS
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Capitulo 9 - 1
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Puente Wandree - Belgica
DESCRIPCION DE PUENTES AVANZADOS
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1 - INTRODUCCION En el transcurso de estas notas sobre puentes, hemos hecho especial hincapié en puentes cuyo tablero en general ha sido del tipo isostático, ó sea, simplemente apoyado, por ser el tipo de estructura mas generalizado en el país. Sin embargo consideramos que debemos completar nuestro trabajo haciendo una descripción en cuanto a su comportamiento y eventual enfoque de calculo, de estructura mas sofisticadas como son los puentes continuos, arcos, aporticados, colgantes, en voladizo sucesivo y finalmente los atirantados. Después de la segunda guerra mundial se registró durante la reconstrucción de los puentes destruidos por la guerra, un avance extraordinario en la tecnología de construcción de los nuevos puentes, especialmente en Alemania, Francia, Holanda, Italia y Japón. Todo ello motivado fundamentalmente por la necesidad de adaptar las estructuras de puentes a las nuevas y modernas vías y autopistas, y no como se hacía antiguamente, donde se construía primero el puente y luego la vía se adaptaba a la estructura. Actualmente los puentes modernos deben ajustarse a los trazados previstos, exigencia que tiene como consecuencia la necesidad de luces mucho mayores para puentes mas largos, con diseños frecuentemente en curva y para viaductos de gran altura que atraviesan valles enteros.
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Estos adelantos han sido posibles por tener hoy en día a nuestro alcance, materiales de construcción con características mejoradas de mayor resistencia y comportamiento, con conocimientos técnicos de cálculo mucho mas avanzados y con nuevas tecnologías por el advenimiento del concreto pretensado. Nuestro siglo ha permitido una enorme capacidad de diseño especializado, a través de las poderosas y modernas computadoras, las cuales con su correspondientes programas (software), hoy al alcance de hasta las mas pequeñas y humildes oficina de ingeniería lo han hecho posible. A continuación haremos una clasificación con su respectiva descripción, de los diferentes tipos de puentes que con algunas variantes se utilizan hoy en día, y de los cuales trataremos algunos con mayor detalle por ser los mas difundidos en la actualidad en diferentes países, ya sea por sus características económicas, por su sistema de ejecución masiva y por tener una tecnología mas avanzada. Es también importante mencionar, que en esta clasificación distinguiremos entre los dos sistemas fundamentales de cálculo: a) Sistemas Estáticamente Determinados (Isostáticos), donde para calcular las solicitaciones internas y externas son suficientes las tres condiciones de equilibrio: H V y M b) Sistemas Estáticamente Indeterminados (Hiperestáticos), donde para determinar las solicitaciones internas y externas debemos recurrir a la Teoría de la Elasticidad
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1.1 Ventajas y Desventajas Los puentes isostáticos formados por tramos simples, presentan la ventajas siguientes: • Gran simplicidad de cálculo estructural • Método de construcción mas sencilla • Mejor adaptabilidad a suelos de mala calidad Los puentes hiperestáticos característicos de todos los sistemas de puentes sofisticados ofrecen la ventajas siguientes: • Posibilidad de salvar luces considerablemente mayores • Comportamiento estructural mas efectivo • Ventajas económicas importantes • Mayor seguridad ante fallas de un elemento portante por la colaboración de los elementos adyacentes.
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2 - CLASIFICACION Para mejor comprensión de los usuarios de estas notas, vamos a presentar una clasificación a grosso modo de la mayoría de los tipos de puentes que se construyen en la actualidad, con algunas variantes indispensables de mencionar, en el entendido que cada tipo de estructura que presentamos puede tener muchas y muy diferentes alternativas en cuanto a su forma y funcionamiento, dependiendo dicha escogencia del proyectista, de la ubicación, de los materiales, del obstáculo a salvar y en fin de las tecnologías disponibles. Hemos optado por presentar esta clasificación en esta última etapa, aunque se pudiera pensar que su ubicación debería haber sido al comienzo de nuestro trabajo, sin embargo, consideramos que el usuario está en mejor capacidad de comprender los diferentes tipos de estructuras después de haber recorrido y analizado los puentes con tableros de tipos mas sencillos. Para mayor claridad vamos a ilustrar los principales tipos de puentes con fotografías de obras ejecutadas o en ejecución en diferentes paises, donde se podrá apreciar mejor las características de la estructura descrita.
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2.1 Puentes Isostáticos 2.1.1 Puentes de un solo tramo Es el tipo de puente mas elemental y de construcción mas sencilla, Normalmente son ejecutados de concreto armado vaciado en sitio, de vigas pretensadas ó postensadas, de vigas de acero y de celosías de acero. Pueden construirse en luces que oscilan entre de 15 mts. y hasta de 300 mts. dependiendo del material utilizado y del sistema de construcción empleado.
PUENTES DE TRAMO SIMPLE
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2.1.2 Puentes de varios tramos simples Son los obtenidos uniendo varios tramos de vigas en una sola luz sin continuidad y con apoyos intermedios. Tienen el inconveniente de tener muchas juntas de dilatación, pero son aptos para asentamientos diferenciales pequeños en terrenos de pobre calidad.
PUENTES DE VARIOS TRAMOS SIMPLES
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2.1.3 Puentes de vigas articuladas ó Gerber Son aquellos puentes con vigas simples con volados, en cuyos extremos se articulan y apoyan tramos simples, resultando un sistema estáticamente determinado. Son muy aptos para terrenos de mala calidad, pero requieren mayor mantenimiento debido a las juntas de dilatación y las articulaciones indispensables.
PUENTES DE VIGAS ARTICULADAS O GERBER
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2.1.4 Puentes con Pilas tipo cónsolas Este diseño es particularmente apto para puentes isostáticos en curva, debido a que la consola puede tener un ancho radial, permitiendo construir puentes en curva con tramos rectos.
PUENTES CON PILAS TIPO CONSOLA También es conveniente en puentes muy largos con elementos prefabricados, como es el caso del Puente sobre el Lago de Maracaibo con una luz total de 8.676 mts., en el cual las consolas con 189 mts. de luz tienen la variante de no estar en cantilever sino atirantadas con cables a torres en forma de A de 92 mts de altura.
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2.2 Puentes Hiperestáticos Los puentes hiperestáticos comprenden una gran variedad de tipos de estructuras, por lo cual resulta difícil tratar de englobarlos en prototipos, ya que en muchos casos pueden resultar una mezcla de diferente alternativas y aún sus sistemas de construcción puede contener también simultáneamente alternativas distintas.
Puente Rombach - Alemania
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Son sin lugar a dudas, los más económicos y los que hacen mejor uso no solo de los materiales, sino del grado de hiperestaticidad de la estructura. En cuanto a su diseño, resultan considerablemente mas elaborados y complejos, y requieren generalmente del aporte de computadoras y programas especializados. Tienen la desventaja de que pueden presentar problemas ante descensos diferenciales de los apoyos y deben también considerarse las dilataciones por temperatura que puedan ocurrir en puentes cuando son muy largos. 2.2.1 Puentes Continuos Los puentes continuos son los que siempre tienen mas de dos tramos, apoyándose tanto en los apoyos extremos como en los apoyos intermedios en forma simple, sin que exista continuidad alguna con los soportes, y sin juntas de dilatación internas. Pueden tener cualquier tipo de sección transversal, a saber: losa maciza, viga T, viga cajón celular de concreto, viga palastro de acero, viga cajón de acero y aun en grandes cerchas de acero. Para luces hasta 35 mts. se diseñan normalmente de sección longitudinal recta. Longitudinalmente cuando se trata de luces mayores de 35 mts. se usan de sección longitudinal variable con acartelamientos rectos ó parabólicos, dándole mayor altura en los apoyos y mas esbeltez en el C/L de los tramos, lo cual nos permite lograr luces mayores. En general desde el punto de vista económico, las luces internas deben ser de 1.3 a 1.4 mayores que las luces externas.
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PUENTES DE VIGAS CONTINUAS
Puente Bendorf sobre el rio Rhin - Alemania
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2.2.2 Puentes Aporticados Los puentes aporticados son aquellos en los cuales la superestructura y la infraestructuras están unidos rigidamente en los nodos a los efectos de flexión. Los pórticos pueden ser ejecutados en concreto armado, en acero y en concreto postensado. Para luces medias ó grandes que sobrepasan los 30 mts. deben ser de sección variable y preferentemente postensados. Son especialmente aptos para pasos a dos niveles. 2.2.2.1 Pórtico Trilátero Biarticulado
PORTICO TRILATERO BI-ARTICULADO
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El pórtico trilátero biarticulado constituye una estructura clásica de la época de posguerra cuando comenzaron a dotarse las carreteras y autopistas con distribuidores de tránsito y pasos a dos niveles. También se difundió ampliamente como paso a dos niveles para ferrocarriles. Generalmente por economía son de sección variable y requieren casi siempre estar articulados en los extremos inferiores de los pies del pórtico, a fin de no transmitir a las fundaciones momentos flectores. Hoy en dia su tecnología resulta costosa en comparación con otros tipos de puentes 2.2.2.2 Pórticos con soportes inclinados
PUENTES CON PIES INCLINADOS
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Los pórticos con pies inclinados son una variedad de pórtico de tres luces, donde los soportes centrales son inclinados permitiendo mayor luz central, lo cual es muy conveniente cuando se trata de salvar grandes vanos. Deben estar fundados en sitios rocosos ó con muy buen sistema de fundación
Puente Boise - Idaho - USA
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2.2.2.3 Puentes Pórtico con triángulos En este tipo de pórtico también llamado Gable Bent, el soporte ó pié y el tramo lateral forman un triángulo de barras. El apoyo de los dos triángulos de barras puede ejecutarse de forma articulada, convirtiéndolo en una estructura prácticamente isostática desde el punto de vista fundaciones.
PORTICOS TRAINGULADOS
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2.2.3 Puentes en Arco 2.2.3.1 Puentes en Arco Empotrado Abierto
PUENTE EN ARCO EMPOTRADO
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Puente Noblach - Austria
La construcción del arco tiene su origen en la bóveda. Dada la alta resistencia a compresión de los materiales de construcción tales como la piedra, el ladrillo y modernamente el concreto armado, la forma del arco impide que se produzcan esfuerzos a tracción por estar trabajando las secciones a compresión, trasmitiendo los empujes a los contrafuertes. Este tipo de puente debe estar ubicado en suelos rocosos y muy estables.
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2.2.3.2 Puente en Arco superior de dos articulaciones Una modalidad interesante la constituye el tipo de puente donde el arco está diseñado en forma superior sobre la calzada, y colgando del arco bajan tirantes que soportan la calzada. En este solución estructural, la calzada puede servir de tirante horizontal entre los extremos del arco, anulando en esta forma los empujes y convirtiéndolo en una estructura simplemente apoyada.
Puente en arco superior sobre el estrecho Fehman - Alemania
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PUENTE EN ARCO SUPERIOR BIARTICULADO
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2.2.3.3 Puentes en Arco por voladizos sucesivos Constituye una variedad de arco solamente desde el punto de vista constructivo, al ser ejecutado en secciones cortas de 3 a 5 mts. mediante una cimbra en voladizo con encofrado. A continuación las secciones parciales van tensándose con la sección terminada. Se han logrado en esta forma luces de hasta 240 mts.
Puente en arco superior en construcción
PUENTE EN ARCO VOLADIZOS SUCESIVOS
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Puente en arco superior en construcción
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2.2.4 Puentes Colgantes Los puentes colgantes existen en forma primitiva en América desde la época de los Incas. Modernamente este tipo de puentes está conformado por un tablero el cual cuelga de tirantes verticales, los cuales a su vez penden de los cables principales.
PUENTE COLGANTE
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La tensión que se produce por el peso del puente suspendido se convierte en una fuerza vertical hacia abajo en la torres y en una tensión angular hacia arriba en los macizos de anclaje, como puede verse en la figura. La fundación en este tipo de puente se resume a dos elementos: pilas en forma de torres y macizos de anclaje a tensión en los extremos. Existe un elemento esencial para la estabilidad de la estructura que consiste en una viga longitudinal rigidizadora, la cual en general se conforma por una cercha larga, continua y esbelta, pudiendo ir por encima ó por debajo de la calzada. En muchos puentes esta cercha se utiliza para alojar un segundo piso a la estructura, en donde eventualmente ir una vía férrea. Si esta viga rigidizadora no es provista, la carga viva rodante tenderá para ciertas posiciones de carga a formar una onda a lo largo de la calzada y los vientos laterales podrán causar oscilaciones muy peligrosas, provocando la caída de la estructura (Tacoma Narrow Bridge).
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Puente colgante sobre el Rio Orinoco - Se aprecia viga rigidizadora
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2.2.5 Puentes de Cables Atirantados En los puentes de cables atirantados, numerosos haces inclinados de alambres de acero se hacen cargo en su calidad de tirantes, de la misma función ejercida por los cables portadores tendidos entre las pilas en los puentes colgantes y por los cables verticales que penden de los cables principales. Una ventaja que tiene este tipo de puente reside en que se puede lograr una gran esbeltez del tablero, el cual generalmente tiene la forma de viga cajón. Según la forma de colocación del cable atirantado, el tablero puede ir soportado con dos cables en los bordes externos ó con un solo cable central, siendo indispensable una gran rigidez a la torsión. Hay diferentes alternativas en cuanto la forma de distribuir los cables en la pila de soporte, pudiendo tener: a) forma de arpa con los cables atirantados paralelos entre si y anclados en la pila a diferentes alturas, b) forma de abanico los cables atirantados se anclan en la pila en un solo punto y desde allí parten en forma de abanico a la losa de calzada, c) forma de haz, constituye una alternativa intermedia la cual exige menos material y simplifica el anclaje y la forma de transmisión de las cargas a la pila.
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Los cables se anclan en puntos de apoyo en la losa de calzada a distancias que oscilan entre 10 y 20 mts. Longitudinalmente los cables pueden colocarse en hileras en uno ó dos niveles, lo cual exige una ejecución lo suficientemente rígida de la losa de calzada.
PUENTES ATIRANTADOS
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Puente Maubee - Francia
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Puente Normandía - Francia
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Puente atirantado construído paralelo a la orilla del rio y luego virado a su posición final
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2.2.6 Puentes Movibles Finalmente no podemos dejar de mencionar un tipo de puente utilizado en algunos países para salvar ríos y canales navegables, donde existe un denso tráfico de embarcaciones y donde no es económico diseñar un puente con altura ó gálibo suficiente para permitir el paso de embarcaciones. Este tipo de puente en general es una variante de los tipos anteriores pero con características especiales. Hay tres tipos principales que podemos mencionar: a) Giratorio, el cual consiste en general de un tablero que gira 90° sobre una pila central, teniendo la desventaja que solo es utilizable la mitad de su longitud. el mas largo existente sobre el río Misssissippi para ferrocarril tiene una luz de 158 mts. b) Basculante, consistente en dos voladizos con contrapesos, los cuales basculan sobre dos pivotes horizontales dejando una apertura central por la cual pasan las embarcaciones. El puente Sault Ste. Marie en Michigan tiene el récord en longitud con una luz de 100 mts. c) Levadizo, el cual usualmente consiste en una viga apoyada en los extremos desde sendas torres por cables verticales los cuales son accionados por un elevador. El mas largo de este tipo tiene una luz de 167 mts. es para ferrocarril y se encuentra en Elizabeth, New Jersey.
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Puente basculante Saint-Maló - Francia
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3 - METODOS DE CONSTRUCCION 3.1 Puentes construidos con encofrados deslizantes Los puentes de concreto armado se construyen utilizando encofrados ó formaletas de madera ó metálicas, las cuales son las que le dan la forma al concreto al endurecerse. Los encofrados se apoyan en cimbras que también pueden ser de madera ó metálicas, las cuales son estructuras provisionales que servirán para trasmitir el peso del concreto aún no portante al suelo. A medida que vá fraguándose el hormigón, la obra adopta su propia capacidad de soporte y puede ser retirada la cimbra. Cuando las luces son razonablemente grandes y el terreno lo permite, resulta económico y rápido la ejecución del puente utilizando las cimbras y encofrados deslizantes. Estas cimbras resultan ventajosas cuando hay que vaciar un puente de varios tramos, sobre un suelo plano donde pueda desplazarce sin dificultad la cimbra y el encofrado que soporta. También es factible en el caso de viaductos con pilas de gran altura, el utilizar el procedimiento de desplazar los encofrados verticalmente, a medida que se van ejecutando etapas parciales de vaciado. El desplazamiento de las cimbras se hace usando carros de avance sobre rieles los cuales soportan el encofrado y se deslizan a la siguiente sección, una vez que el concreto a adquirido su resistencia calculada.
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Puente ejecutado por voladizos sucesivos
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CONSTRUCCION CON CIMBRAS DESLIZANTES
3.2 Puentes construidos por Voladizos Sucesivos Otra modalidad constructiva utilizada en Europa desde 1.950 en la ejecución de puentes de grandes luces centrales y sobre topografías difíciles, consiste en proceder a la erección del puente por segmentos utilizando dovelas prefabricadas.
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CONSTRUCCION EN VOLADIZO CON SOPORTE AUXILIAR La sección transversal mas utilizada y apropiada es la del cajón hueco postensado, utilizando segmentos ó dovelas que se ejecutan en taller y se transportan al sitio para su erección final. Este método es apropiado para puentes continuos, arcos. atirantados, etc., El procedimiento de erección generalmente utilizado es el método del cantilever balanceado, en el cual los segmentos prefabricados ó vaciados en sitio van ser unidos progresivamente en el tope de la pila mediante cables que son postensados parcialmente, para formar la mitad de la luz a cada lado de la pila. En forma similar, segmentos de concreto pueden ser erigidos en otra pila opuesta a la primera, para de esta forma cerrar y completar el tramo.
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Este método de erección usado repetitivamente puede servir para crear puentes de muchas luces y de grandes longitudes, lo cual elimina la ejecución de cimbras en valles profundos, canales y ríos navegables, áreas industriales ó densamente pobladas; provocando por lo tanto molestias mínimas durante la construcción. El diseño de este tipo de puentes es complejo y requiere equipos especializados de erección.
Puente ejecutado con cajones prefabricados por el método de voladizos sucesivos
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Puente Vasco de Gama ejecutado por el método de voladizos sucesivos
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3.3 Puentes Lanzados. Otro método de construcción originado en Alemania y utilizado en muchos países consiste en la construcción y vaciado de tramos de superestructura en los accesos del puente por detrás del estribo, y su posterior lanzamiento hasta pilas previamente construidas. En algunos casos y según las luces, resulta conveniente utilizar pilas provisionales las cuales son retiradas después de la finalización de la estructura. También puede ser mencionada la utilización de grandes cerchas, las cuales sirven para apoyar y contribuir en forma provisional al lanzamiento de los elementos pre-fabricados. Puede decirse, que la imaginación no tiene límites en cuanto a las nuevas técnicas de erección de los grandes puentes, dependiendo tan solo de la capacidad económica y tecnológica de las empresas constructoras y de los países que acometen la ejecución de los modernos puentes.
Ejemplo típico de estructura ejecutada con puente de lanzamiento
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