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Construccion Civil

TRABAJO INVESTIGATIVO DE PUENTES Y TUNELES

NOMBRE: Danilo Valdes Cordero, Luis Villalón donoso, Esteban Muñoz Tapia, Cristóbal Watanabe Droguett, Héctor Gamboa López CARRERA: Construcción civil ASIGNATURA: Topografía PROFESOR: Juan Carlos Castillo Núñez

Construccion Civil

1 ÍNDICE ÍNDICE........................................................................................................................................................................... 3 1. TIPOS DE LAS OBRAS DE PASO ........................................................................................................................... 4 1.1 Pasos inferiores ..................................................................................................................................................... 6 1.2 Pasos superiores ................................................................................................................................................. 10 2. CLASIFICACIÓN DE LOS PUENTES SEGÚN DIVERSOS CRITERIOS ............................................................... 12 2.1 Clasificación por función ...................................................................................................................................... 12 2.2 Clasificación por su esquema estructural ............................................................................................................ 13 2.3 Clasificación por su situación............................................................................................................................... 13 2.4 Clasificación por sus materiales .......................................................................................................................... 14 2.5 Por su luz libre de claro ....................................................................................................................................... 14 3. TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES: PUENTES VIGA, PUENTES PÓRTICO, PUENTES ARCO, PUENTES ATIRANTADOS Y PUENTES COLGANTES. RANGO DE UTILIZACIÓN ACTUAL .................................................. 15 3.1 Puentes o viaductos ............................................................................................................................................ 15 3.2 Puentes de tramo recto ....................................................................................................................................... 16 3.3 Puentes arcos: superestructura superior, intermedio o inferior ............................................................................ 24 3.4 Puentes extradosados ......................................................................................................................................... 26 3.5 Puentes atirantados, con uno o dos planos de atirantamiento, en forma de arpa; semi-arpa o abanico ............. 27 3.6 Puentes colgantes ............................................................................................................................................... 28 3.7 Rango de utilización ............................................................................................................................................ 29 4. NORMATIVA DE APLICACIÓN .............................................................................................................................. 31 5. MATERIALES ......................................................................................................................................................... 35 5.1 Concreto .............................................................................................................................................................. 35 5.2 Aceros para armaduras ....................................................................................................................................... 40 5.3 Armaduras pasivas .............................................................................................................................................. 40 5.4 Armaduras activas ............................................................................................................................................... 40 5.5 Aceros estructurales ............................................................................................................................................ 42 6. FORTIFICACION DE TUNELES ............................................................................................................................. 35

3

1. TIPOS DE LAS OBRAS DE PASO Se denominan obras de paso a los elementos singulares que permiten el paso de una circulación barranco,

(carretera,

ferrocarril,

peatones,

etc.)

sobre

un

obstáculo

natural

(río,

vado, etc.) o artificial (carretera, ferrocarril o camino). Las diferentes obras de paso pueden ser clasificadas de acuerdo con diversos criterios. Una de las clasificaciones más utilizadas, y que suele ser la empleada en las obras, es la que hace referencia al tipo estructural y a la situación relativa de la obra respecto de las vialidades. De acuerdo con ella las obras de paso se clasifican en:



Pasos Inferiores:

Marcos.





o

Pórticos.

o

Bóvedas.

Pasos Superiores: o

Superestructuras de concreto.

o

Superestructuras mixtas.

Puentes o Viaductos de tramo recto: o

Superestructuras de concreto.

o

Superestructuras mixtas.

o

Superestructuras metálicas.



Puentes Arco.



Puentes Extradosados.



Puentes Atirantados.



Puentes Colgantes.

4

Para poder realizar una correcta descripción de los distintos tipos de obras de fábrica, se definen a continuación una serie de términos utilizados habitualmente:



Puente de carretera: de acuerdo con la I. A. P. “obras de paso que soportan cualquier tipo de vía definida en la ley de carreteras y en el Reglamento que la desarrolla, como de competencia estatal cuya función sea, por tanto, salvar una discontinuidad en un trazo para permitir el paso del tráfico rodado”. A efectos de la D. G. C. son estructuras con luz libre del claro mayor superior a diez metros.

1.1.1

La SCT (Secretaria de Comunicaciones y Transportes) considera que puente, es una estructura con una longitud mayor de seis 6 metros.



Viaducto: puente de gran longitud y número de claros.



Paso Superior: respecto de la vía que se considere se denomina así a la obra de paso por encima de dicha vía. La SCT define, que Paso Superior, es una estructura que se construye en un cruce de la carretera de referencia por encima de otra vialidad y cuyas dimensiones quedan definidas por las características geométricas y rasantes de ambas vialidades.



Paso Inferior: respecto de la vía que se considere, se define así a la obra de paso que la soporta. La SCT define, que Paso Inferior, es una estructura que se construye en un cruce de la carretera de referencia por abajo de otra vialidad y cuyas dimensiones quedan definidas por las características geométricas y rasantes de ambas vialidades.



Infraestructura de un puente: es la cimentación.



Subestructura de un puente: está formada por los estribos, aparatos de apoyo, terraplenes, pilas, etc.



Superestructura de un puente: es el tablero de los Puentes más el arco de un Puente Arco, los tirantes y el pilón de un Puente Atirantado o el sistema de cables y los pilones de un Puente Colgante y las juntas, pavimento, pretiles e impermeabilización.

Debido a que los Pasos Inferiores y los Pasos Superiores no son objeto de este Curso, pero forman parte habitualmente de las obras de carreteras y ferrocarriles, se describen a continuación brevemente.

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1.1 Pasos inferiores Son obras de paso que se disponen bajo la plataforma de vialidad, de carretera o ferrocarril, para permitir habitualmente el cruce de algún pequeño cauce o camino y de forma menos frecuente de alguna carretera, ramal de autopista o ramal de ferrocarril. Este cruce puede producirse tanto perpendicularmente entre las vialidades superior e inferior o también de forma esviada. En general el trazo en planta de las vialidades en la zona de cruce suele ser recto, por razones prácticas y económicas, pero no existen razones técnicas que impidan diseñar este tipo de obra con trazo en planta curvos. Existen varias soluciones dentro de esta tipología:

1.1.1. Marcos Son obras de paso en las que su diseño estructural responde a la necesidad de transmitir cargas pequeñas al terreno, ya que se sitúan en zonas geotécnicamente de baja capacidad de carga. Se construye en concreto armado, tanto mediante su ejecución in situ como prefabricada. Se compone de una losa apoyada en el terreno, muros en los laterales y una losa superior de cubierta. Sobre esta losa puede existir un relleno de tierras o apoyar directamente el firme de la carretera o la superestructura. La obra del marco se completa con muros tipo aleros a la salida del mismo en ambos extremos y lados para contener las tierras y evitar que invadan la vialidad inferior. El rango habitual de la luz de estas obras es hasta 10 metros y de forma excepcional hasta los 13 metros. Las obras tipo marco se emplean habitualmente para diseñar obras de drenaje, pero comúnmente en estos casos sus luces son pequeñas, es decir menores a los 6 metros que se consideran como menor luz de una obra de paso.

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Figura 1. Pórtico. Circunvalación La Rioja Fuente: Proes, Consultores.

Figura 2. Marco. N-1, Ventas de Irún Fuente: Prefabricados Lemona.

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1.1.2. Pórticos Se trata de estructuras situadas en zonas donde el terreno es de alta capacidad de carga, desde el punto de vista geotécnico, lo que permite reemplazar la losa por cimentaciones base de zapatas. También se construye en concreto armado, tanto mediante su ejecución in situ como prefabricada. El uso de los prefabricados permite realizar las obras sin requerir cimbras, que pueden afectar por ejemplo al tráfico existente. Se compone de muros en los laterales, cimentados en zapatas y una losa superior. Al igual que en los marcos, sobre esta losa puede existir un relleno de tierras o apoyar directamente el firme de la carretera o la superestructura. En casos poco frecuentes, puede cimentarse este tipo de estructura sobre losas de cimentación pilotados que reemplazan a las zapatas. Es decir que también se utiliza esta solución cuando el terreno de cimentación no admite ningún tipo de cimentación superficial. Al igual que con los marcos los pórticos se completan con aleros o muros para evitar que las tierras invadan las vialidades inferiores o el cauce. En este caso el rango habitual de sus luces alcanzan los 15 metros y su utilización es posible hasta los 20 metros. Existe una configuración del cruce entre las vialidades que requiere una solución particular de este tipo de estructuras, cuando se cruzan formando un ángulo muy agudo, el pórtico resultante se denomina pérgola. Esta presenta la singularidad de que frecuentemente el dintel no cubre totalmente el espacio entre hastiales, sino que sólo es continuo bajo la superficie ocupada por la vialidad superior, mientras que el resto de la superficie sólo existe parcialmente. En México este tipo de arreglo no es de uso común.

Figura 3. Pérgola. Fuente: Proes, Consultores (Cruce calzadas A-6).

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1.1.3. Bóvedas Estas estructuras son similares a los marcos y pórticos, ya que existen tanto con soleras como con zapatas, pero se diferencian de éstas en la forma, dado que los muros y la losa de cubierta se transforman en una lámina continua de geometría curva. Esto le permite admitir las acciones de importantes rellenos de tierras sobre ellas de forma más

eficiente que las estructuras de losa plana, trabajando básicamente a compresión. Figura 4. Bóveda. Fuente: Prefabricados Lemona.

En general se suelen utilizar módulos prefabricados de concreto armado para su construcción, pudiéndose construir también in situ, lo cual es poco frecuente. Sin embargo, es habitual que se construyan las cimentaciones in situ y que el resto de la obra sea prefabricado. Las soluciones de aleros son similares a las de los pórticos. El rango habitual de su empleo llega a los 13 metros y su empleo se extiende hasta los 15 metros de luz.

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1.2 Pasos superiores Son obras de paso que se disponen sobre la plataforma de una vialidad, de carretera o ferrocarril, para permitir el cruce de caminos, carreteras, ramales de autopista o ramales de ferrocarril. Este cruce puede producirse tanto perpendicularmente entre las vialidades superior e inferior o también de forma esviada. En general el trazado en planta de las vialidades en la zona de cruce suele ser recto, por razones prácticas y económicas, pero no existen razones técnicas que impidan diseñar este tipo de obra con trazados en planta curvos, como por ejemplo se produce en los casos en que se disponen pasos superiores conformando parte de una glorieta. La superestructura de un paso superior está formada por un tablero sobre el que discurre la vialidad superior. Este puede tener un solo claro o varios, y en este último caso pueden ser claros simples o continuos. Si el paso tiene un solo claro la subestructura en que se apoya la superestructura en sus extremos está formada por sendos estribos, mientras que si tiene varios claros además de estos estribos tiene una serie de apoyos intermedios, denominados pilas. La tipología de los estribos y pilas puede ser muy diversa en función de una serie de condicionantes que presenta cada estructura, y la cimentación de estos elementos puede ser tanto superficial, mediante zapatas, como profunda mediante pilotes, dependiendo de las características geotécnicas del lugar en que se sitúe la obra. Las superestructuras pueden ser diseñadas tanto de concreto armado, concreto pretensado o postesado o mixtas: concreto armado + acero estructural. Debido a la similitud de las soluciones empleadas en estas estructuras y en los puentes de la misma tipología se detallarán en la Unidad 3 estos tipos de superestructuras y sus rangos de utilización.

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Figura 5. Paso Superior de superestructura de concreto. Fuente: Proes, Consultores (Circunvalación La Rioja).

Figura 6. Paso Superior de superestructura de concreto. Fuente: Proes, Consultores (Radial R-4).

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2. CLASIFICACIÓN DE LOS PUENTES SEGÚN DIVERSOS CRITERIOS Existen una serie de posibles clasificaciones de los puentes de acuerdo con diferentes criterios. Las más importantes son las siguientes:

1. Por su función. 2. Por su esquema estructural. 3. Por su situación. 4. Por sus materiales. 5. Por su luz libre de claro.

A continuación se describen cada una de ellas brevemente:

2.1 Clasificación por función Un primer criterio seria el clasificar en función del tipo de circulación que permite la obra:



Tráfico rodado (autopistas, carreteras, caminos, etc.): puentes de carretera.



Ferrocarril: puentes de ferrocarril.



Peatones: pasarelas.



Fluidos: acueductos.



Otros (ganado, fauna, etc.): paso de fauna.

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Otro criterio sería realizar la clasificación en función del tipo de obstáculo que permite salvar la obra:



Tráfico rodado (autopista, carretera o camino).



Ferrocarril.



Cauces naturales (ríos, arroyos, etc.) o artificiales (embalses, canales, etc.).



Irregularidades del terreno (barrancos, vaguadas, etc.).

El último de estos criterios sería clasificarlos dependiendo de la continuidad de su función:



Circulación permanente.



Circulación ininterrumpida (levadizos, giratorios, etc.).



Circulación provisional (obras para dar servicio a desvíos temporales).

2.2 Clasificación por su esquema estructural Esta clasificación se realiza teniendo en cuenta el funcionamiento estructural de los puentes y existen dos tipos: estructuras isostáticas y estructuras hiperestáticas. Las estructuras isostáticas son aquellas en que sus esfuerzos quedan determinados solamente por las condiciones de equilibrio. Pueden ser superestructuras de un claro o de múltiples claros isostáticos, como frecuentemente ocurre con las superestructuras de vigas prefabricadas en las que se disponen juntas entre cada claro. Las estructuras hiperestáticas son aquellas en que para obtener los esfuerzos es necesario además del equilibrio cumplir las ecuaciones de compatibilidad. Una superestructura hiperestática aumenta la seguridad del puente porque no se produce el derrumbe cuando falla una sección, ya que éste no alcanza las condiciones de un mecanismo. Este tipo de estructuras tienen dos o más claros. Presentan la ventaja, para el tráfico, de no tener juntas en una gran longitud, pero son más sensibles a los posibles asentamientos de sus apoyos.

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2.3 Clasificación por su situación Ya se ha comentado en el tema anterior que esta es la clasificación más utilizada, pero no es la única.



Pasos Inferiores.



Pasos Superiores.



Puentes y Viaductos.

2.4 Clasificación por sus materiales La clasificación por sus materiales se refiere en general al de las superestructuras, por lo que habitualmente responde a lo siguiente:



Puentes de concreto armado.



Puentes de concreto pretensado.



Puentes metálicos.



Puentes mixtos.

También existen otros tipos, que no son motivo de este Curso, en esta clasificación:



Puentes de mampostería.



Puentes de ladrillo.



Puentes de madera.

2.5 Por su luz libre de claro Se denomina luz a la distancia horizontal entre dos apoyos consecutivos de una obra de paso, por tanto la clasificación según este criterio es la siguiente:



Tajeas: con una luz menor o igual a un metro.



Alcantarillas u obra menor: toda aquella estructura con un claro menor a 6 metros.



Pontones: con una luz entre tres y diez metros.



Puentes: con luces mayores de seis metros. 14

3. TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES: PUENTES VIGA, PUENTES PÓRTICO,

PUENTES ARCO, PUENTES ATIRANTADOS Y PUENTES COLGANTES. RANGO DE UTILIZACIÓN ACTUAL 3.1 Puentes o viaductos Son obras de paso que se disponen para permitir que una vialidad pueda salvar obstáculos naturales (por ejemplo cauces, vados, valles, etc.) o de cualquier otro tipo (cruce con otras vialidades), de forma de dar continuidad al mismo.

1.1.2 La diferencia entre puentes y viaductos, es que el segundo es un puente de gran longitud y de un número muy grande de claros. De acuerdo a la SCT, un puente, es aquella estructura con longitud mayor de 6 metros, que se construye sobre corrientes o cuerpos de agua y cuyas dimensiones quedan definidas por razones hidráulicas. Mientras que un viaducto- es una estructura que se construye sobre- barrancas, zonas urbanas u otros obstáculos y cuyas dimensiones quedan definidas por razones geométricas, dependiendo principalmente de la rasante de la vialidad y del tipo de obstáculo que cruce. En general la zona en que discurre puede presentar un trazo en planta y alzado de cualquier tipo, salvo en algunos casos en que la técnica aplicada a su construcción restrinja esta situación, como por ejemplo sucede en los puentes construidos mediante empuje de su superestructura (lanzados). La superestructura de los puentes y viaductos está conformada por una superestructuras sobre la que discurre la vialidad superior, éste puede tener un solo claro o varios, y en este último caso pueden ser claros simples (estructura isostática) o continuos (estructura hiperestática). Al igual que lo indicado para los pasos superiores la subestructura se compone de dos estribos cuando es de un claro y de éstos más pilas intermedias cuando tiene más de un claro. De forma similar a los pasos superiores, la tipología de los estribos y pilas puede ser muy diversa. Las características de estos elementos se detallan en la Unidad 2.

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3.2 Puentes de tramo recto En general puede decirse que los puentes de tramo recto son aquellos en que la superestructura consta de un solo elemento, que proporciona a la vez la resistencia y la superficie funcional. A este elemento básicamente horizontal y habitualmente recto se le suele denominar tablero. Dependiendo del tipo de conexión entre el tablero y las pilas se pueden clasificar en dos subgrupos: puentes pórtico, aquellos en que las pilas se unen rígidamente al tablero sin solución de continuidad (actualmente solución poco utilizados), y puentes viga, donde el tablero se apoya en las pilas y estribos mediante aparatos de apoyo. Se describen con más detalle los puentes correspondientes a los denominados puentes viga. En estas estructuras las superestructuras pueden ser diseñados tanto de concreto armado, concreto pretensado o postesado, metálicos (acero estructural) o mixtos: concreto armado + acero estructural. A continuación se describen las características principales de las distintas superestructuras:

3.2.1. superestructuras de concreto: vigas, losas, nervados y cajones Las superestructuras de vigas suelen ser prefabricados, y generalmente se trata de elementos pretensados. Existen diversos tipos de vigas, las más frecuentes son las denominadas vigas de sección doble T y de sección tipo artesa. Es habitual que en el caso de las vigas doble T se dispongan varias de ellas uniéndolas mediante una losa superior de concreto armado ejecutada in situ, mientras que para las de tipo artesa pueden disponerse una o varias de ellas y también se las construye ejecutando una losa superior in situ. Generalmente se utilizan placas de cimbra perdida o colaborante en la construcción de la losa in situ. Su construcción no requiere cimbrar la superestructura, lo que permite poder ejecutar las obras sobre vialidades existentes, con mínimas afectaciones a los mismos. La solución es aplicable tanto a claros simples como continuos, en este último caso se logra la continuidad a través de la losa superior ejecutada in situ, mejorando tanto funcionalmente como estructuralmente el comportamiento de la estructura al reducir el número de juntas dispuestas en la vialidad. El rango de luces óptimo para un claro, de este tipo de superestructura de vigas está entre 15 y 40 metros, pudiendo alcanzarse los 45 metros. Para claros de menor longitud pueden utilizarse vigas de sección invertida, que simulan una losa.

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SECCIÓN DOBLE T

SECCIÓN



    SECCIÓN V

SECCIÓN

T

INVERTIDA

SECCIÓN U

SECCIÓN

RECTANGULAR

Figura 7. Secciones tipo Superestructuras de vigas

En México la ejecución de puentes mediante vigas utiliza otro tipo de geometrías como las vigas tipo AASHTO, tipo UN (o tipo Nebraska), la cuales se utilizan mediante sistemas de presforzado o postensado. http://sepsacv.com/trabe-tipo-nebraska/

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Figura 8. Paso superior de vigas artesas.

Figura 9. Viaducto Vigas doble T. Fuente: Payma-Cotas (variante del Molar).

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Las superestructuras de sección tipo losa son generalmente una solución constructiva más flexible ya que permiten adaptarse a los condicionantes del trazo y además debido a su mayor esbeltez también solucionan problemas de gálibo vertical. Habitualmente son construidos in situ, lo que permite que estructuralmente se proyecten como estructuras continuas. Las dos tipologías más comunes son la de superestructura maciza o aligerada. También pueden proyectarse con voladizos laterales o sin ellos, así como con uno o más núcleos. Estas estructuras requieren de cimbra para su construcción, lo que implica afecciones a las vialidades que pudieran existir bajo los mismos. En este caso el rango de luces, para un claro, de este tipo de superestructura de losas cuando son de concreto armado alcanza los 18 metros, mientras que cuando se trata de losas de concreto postesado se alcanzan los 45 metros. La solución de losa nervada es en realidad una simplificación de las soluciones de losa aligerada, en las cuales el aligeramiento interior se convierte en una reducción localizada del espesor de la losa, quedando al descubierto los “nervios” o vigas longitudinales que junto con la

losa

superior

conforman

la

superestructura.

Se

los

suele

denominar

también

superestructura con sección en “Pi”. Este tipo de superestructura nervada, generalmente es también postesada, por lo que el rango óptimo de utilización se sitúa entre los 30 y 40 metros, aunque puede alcanzar los 45 metros. Su utilización ha ido decreciendo en el tiempo, porque frente a la solución tipo losa resulta ser más laboriosos de construir y desde el punto de vista estructural su sección es menos eficaz, especialmente frente a acciones que producen torsiones en la superestructura.

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ALIG. CIRCULAR

NERVADA

CON VOLADIZOS

SIN VOLADIZOS

MONONUCLEADA

BINUCLEADA

MACIZA

ALIGERADA

ALIG. POLIGONAL

LISA

Figura 10. Secciones tipo Superestructura tipo Losa.

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Figura 11. Viaducto de Superestructura tipo losa. Fuente: Proes, Consultores (Viaducto en Algeciras).

Por último la solución con sección tipo cajón, puede presentar una o más celdas, está formada por una losa inferior, dos almas laterales generalmente algo inclinadas respecto a la vertical y una losa superior que se prolonga en voladizo por fuera de la propia sección del cajón. Este tipo de solución se aplica, dado que su canto tiene ya una cierta importancia por razones constructivas, para cubrir el rango mayor de luces de claros. Para optimizar su comportamiento estructural en algunos casos la sección del cajón presenta un canto variable, mayor sobre los apoyos intermedios, en pilas. El rango óptimo de utilización cuando la sección es de canto constante es de 35 a 80 metros, alcanzando luces mayores hasta 200 metros, cuando se trata de soluciones con canto variable. En realidad en este tipo de estructuras el rango habitual de utilización depende del método constructivo utilizado.

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MONONÚCLEO

BICELULAR

BINÚCLEO

TRICELULAR

Figura 12. Secciones tipo de Superestructuras Cajón.

Figura 13. Viaductos de superestructura tipo cajón. Fuente: Proes, Consultores (Viaducto de Monterrey).

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3.2.2. Superestructuras mixtas Las estructuras mixtas añaden a las ventajas de las estructuras prefabricadas las de un peso propio reducido y unos cantos que pueden ser inferiores a los de soluciones análogas en concreto. Estas ventajas hacen que cada día sea más frecuente su utilización debido a su rapidez de ejecución. Esto es muy conveniente si se interfieren tráficos existentes y al reducido peso propio de la estructura en caso de terrenos de baja capacidad de carga. Una desventaja es que requieren un mantenimiento para asegurar la protección contra la corrosión con lo cual

su costo conjunto de ejecución más mantenimiento suele ser superior al de las estructuras de concreto. Las dos tipologías más habituales de superestructura constan de vigas doble T metálicas o la solución con uno o más cajones metálicos con losa superior de concreto armado. El rango habitual de las luces para su utilización está entre los 30 y 70 m para las superestructuras de tipo cajón y para los de tipo viga se encuentra entre 20 y 60 metros. Existen diferentes tipos de soluciones para construir superestructuras utilizando como material el concreto, combinándolo con acero de refuerzo o con armaduras de pretensado.

Figura 14. Puente con superestructura mixta. Fuente: Proes, Consultores (Puente Bras de la Plaine).

Figura 15. Puente con superestructura mixta. Fuente: Carlos Fdez. Casado, SL (Puente de Arriondas).

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3.2.3. Superestructuras metálicas Las superestructuras metálicas pueden ser de vigas de alma llena o de celosías. Es una tipología utilizada más frecuentemente en épocas pasadas en puentes de ferrocarril de luces medias. Los de celosía responden a un comportamiento estructural en que todos sus elementos están sometidos a esfuerzos axiles, lo que optimiza el uso de los materiales y por tanto su costo, mientras que la solución de vigas de alma llena es en ese sentido menos eficaz y relativamente más cara. Ambas soluciones se completan con la disposición de una losa superior que generalmente se construye en concreto armado, pero en algunos casos se resuelve con un entramado metálico y chapas (losa acero) para conformar la superficie de rodadura o de soporte para la superestructura de la vialidad. El rango de utilización de este tipo de soluciones es de hasta 300 metros para vigas metálicas de alma llena y se extiende hasta superar los 500 en el caso de los de celosía.

Figura 16. Viaductos de superestructurasmetálicas. Fuente: Proes, Consultores (Embalse de Rules y Autopista Granada-Motril).

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3.3 Puentes arcos: superestructura superior, intermedio o inferior Este tipo de puentes tiene como estructura de apoyo un arco, generalmente resuelto mediante una sección de concreto armado, ya que su diseño responde al de una pieza con compresiones predominantes. Por lo tanto la superestructura se apoya en este arco. La forma

en que se sitúa la superestructura respecto al arco define en parte al mismo, ya que si se coloca sobre el arco la superestructura, éste se apoya en él mediante una serie de pilares intermedios que se denominan montantes y la solución se designa como de “superestructura superior”. Si la superestructura se dispone bajo el arco, entonces el apoyo de éste sobre el primero se realiza mediante una serie de cables, y se designa como de “superestructura inferior”. También existe la posibilidad de que la posición de la superestructura sea intermedia, quedando en parte apoyado (cerca de los arranques del arco) y colgado en la parte central (zona de clave del arco). Esta solución sólo es aplicable cuando las características del terreno permiten cimentar el arco de forma que los importantes esfuerzos horizontales que este transmite sean admisibles. Por esta razón es una solución habitualmente empleada en cruce de valles de zonas montañosas con laderas rocosas y en zonas con agua.

Figura 17. Puente Arco superestructura superior.

Figura 18. Puente Arco

superestructura inferior.

En zonas llanas, pueden ser utilizados pero requieren un atirantamiento, que se suele disponer a nivel de la superestructura. Las superestructuras de este tipo de solución suelen ser realizados con concreto postesado. El rango de utilización óptimo se encuentra entre los 60 y los 200 metros, pero pueden utilizarse desde 30 a 300 metros. 25

3.4 Puentes extradosados Los puentes extradosados corresponden a una tipología que se ha empezado a utilizar en los últimos tiempos. Se trata de una solución que tiene la apariencia de los puentes atirantados, pero en realidad tienen un comportamiento estructural diferente. Se diferencian en que la altura de los pilones es menor y el canto de las superestructuras también.

Figura 19. Puente Extradosado. Fuente: Structurae (Odawara Blueway- Japón).

Figura 20. Puente Extradosado. Fuente: Dywidag Sistemas Constructivos (Matakina - Japón).

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3.5 Puentes atirantados, con uno o dos planos de atirantamiento, en forma de arpa; semi-

arpa o abanico Los puentes atirantados surgen con la necesidad de salvar una gran luz motivada por la imposibilidad, por razones geotécnicas o por la naturaleza de los obstáculos naturales, de disponer apoyos intermedios que permitieran aplicar otras soluciones. Originalmente se intentó que los tirantes conformaran una serie de apoyos rígidos, similares a los pilares que sustituyen, separados por grandes distancias, ya que esto permite que las superestructuras sean similares a las de las otras soluciones sobre pilas. Actualmente la solución ha ido evolucionando y se dispone de una red de tirantes con pequeña separación entre los mismos, lo que permite reducir la rigidez de las superestructuras, ya que estructuralmente el mismo se comporta como una viga apoyada elásticamente de forma continua.

Figura 21. Puentes atirantados (Dos planos de tirantes). Fuente: Proes, Consultores (As Pontes) – (Rande).

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Esta tipología admite una gran variedad de soluciones, debido a que la superestructura puede ser sustentada por un único plano de tirantes, habitualmente dispuesto en el centro de la superestructura, o por dos planos de atirantamiento colocados uno a cada lado de la superestructura. Por otra parte la forma en que se disponen los cables de atirantamiento desde la decir que responden a tres situaciones: forma de arpa en que los cables se disponen paralelos

unos a otros, forma de semi-arpa donde los tirantes se disponen casi paralelos entre sí y finalmente en forma de abanico en que los cables concurren a una zona del pilón.

Figura 22. Puente atirantado (Un planos de tirantes). Fuente: Proes, Consultores (Viaducto de Milau).

El rango de utilización de esta tipología de puentes oscila entre los 100 metros y los 425 metros.

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3.6 Puentes colgantes Los puentes colgantes se caracterizan porque sus superestructuras se encuentran suspendidas de un sistema de cables. En general cuentan con tres claros, donde el claro central se encuentra suspendido y ambos laterales pueden estar suspendidos o no según la longitud de sus claros. La superestructura tiene un comportamiento similar al indicado en los puentes atirantados que se construyen actualmente, en lo referente a su comportamiento como viga elástica. El elemento básico de un puente colgante es el sistema de cables portantes, que pasan sobre los pilones y se anclan en macizos extremos, que generalmente son de concreto. El sistema de sustentación se completa con los elementos de conexión entre superestructura y cables portantes, que se denomina péndolas y se resuelve habitualmente con cables. Los puentes colgantes se utilizan para salvar grandes luces, comprendidas entre los 600 y 1.500 m.

Figura 23. Puente Colgante de Vizcaya. Fuente: Proes, Consultores.

Figura 24. Puente Colgante de Amposta.

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1.2

3.7 Rango de utilización

Las distintas obras de paso tienen unos rangos de luces de aplicación, tanto por razones técnicas como por razones económicas, los cuales pueden verse en el gráfico adjunto. En este gráfico se indican rangos de luces habituales en estructuras de concreto, debiéndose tener en cuenta que en el caso de estructuras mixtas y de acero las luces correspondientes resultan algo mayores porque este tipo de estructuras tiene un peso ropio considerablemente menor a las de concreto.l gráfico adjunto de Rangos de utilización está extraído de la Publicación “Obras de paso de nueva construcción” publicación española.

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4. NORMATIVA DE APLICACIÓN Para la ejecución de puentes existe una serie de normativas de obligado cumplimiento así como también una serie de recomendaciones que son de conveniente aplicación, aunque no de obligado cumplimiento. Una parte de la normativa y recomendaciones se encuentra en documentos que regulan también el proyecto de estas estructuras. Para llevar a cabo el diseño y construcción de puentes, en México se emplean comúnmente las siguientes especificaciones:

a. Secretaría de Comunicaciones y Transportes, “Normas Técnicas para el proyecto de puentes carreteros”, México secretaría de comunicaciones y transportes, “normas técnicas para el proyecto de puentes carreteros”, México, D.F., 1984. b. Standard specifications for highway bridges de la “American association of state highway bridges” (AASHTO), Washington, 2004.se publica cada cuatro años. c. Prácticas recomendadas para el diseño de puentes de ferrocarril promulgadas por “American Railroad Engineering Association” (área), Washington, editadas en hojas sueltas, se mantienen actualizadas con una emisión anual. d. Normativa SCT, México, D.F. 2000-2004 e. Para estructuras no usuales (claros mayores a 150m) se efectúan estudios especiales.

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1.2.1 EHE-08 “Instrucción de concreto Estructural”: Esta normativa de obligado cumplimiento incluye las bases de proyecto para el cálculo y dimensionado de las estructuras, las propiedades tecnológicas de los materiales, las condiciones de durabilidad de los mismos, las condiciones de ejecución de las obras, el control de las mismas y el control de calidad de los materiales.

1.2.2 IAP “Instrucción de acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera”: Esta normativa de obligado cumplimiento define las acciones a considerar en el proyecto de los puentes de carretera, como por ejemplo las sobrecargas de tráfico, las acciones térmicas, la acción del viento, etc.

1.2.3 IAPF-07 “Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril”: Esta normativa de obligado cumplimiento define las acciones a considerar en el proyecto de los puentes de ferrocarril, como por ejemplo las sobrecargas de los trenes, las acciones térmicas, la acción del viento, etc.

1.2.4 NCSP-07 “Norma de construcción sismorresistente: puentes”: Esta normativa de obligado cumplimiento define las acciones sísmicas de acuerdo con la situación geográfica y la importancia de la obra de paso, también incluye una serie de aspectos constructivos que deben ser considerados en zonas de sismicidad alta.

32

1.2.5 RPM-95 “Recomendaciones para el proyecto de puentes metálicos para carreteras”: Esta recomendación es de obligada consideración. En ella se incluye las bases de proyecto para el cálculo y dimensionado de las estructuras metálicas, las propiedades tecnológicas de los materiales y elementos de unión (Tornillos, tuercas y arandelas) y soldaduras, las condiciones de durabilidad de los mismos, las condiciones de ejecución de las obras, el control de las mismas, el control de calidad de los materiales y soldaduras.

1.2.6 RPX-95 “Recomendaciones para el proyecto de puentes mixtos para carreteras”: Esta recomendación es de obligada consideración. En ella se incluye las bases de proyecto para el cálculo y dimensionado de las estructuras mixtas de concreto - acero, las propiedades tecnológicas de los materiales y elementos de unión (Tornillos, tuercas y arandelas) y soldaduras, el dimensionado de la conexión acero- concreto, las condiciones de durabilidad de los materiales, las condiciones de ejecución de las obras, el control de las mismas, el control de calidad de los materiales y las soldaduras.

1.2.7 “Guía de cimentaciones en obras de carretera”: Este documento describe una serie de reglas de buena práctica que conviene tener en cuenta en el diseño, construcción y conservación de cimentaciones de obras de carretera. Lo especificado en esta publicación no es de obligado cumplimiento.

1.2.8 “Criterios a tener en cuenta en el proyecto y construcción de puentes con elementos prefabricados de concreto estructural”: Este documento describe una serie de reglas de buena práctica que conviene tener en cuenta en el diseño, construcción y conservación de puentes de carretera ejecutados con vigas prefabricadas. Lo especificado en esta publicación no es de obligado cumplimiento.

33

1.2.9 “Instrucciones complementarias para la utilización de elementos auxiliares de obra en la construcción de puentes de carretera”: Esta Orden Ministerial entró en vigor el 27 de Diciembre de 2007, y en ella se señala la obligatoriedad de que en cualquier medio auxiliar (por ejemplo cimbras, autocimbras) que se utilice en la construcción de un Puente, el contratista adjudicatario de la obra deberá redactar un proyecto específico completo para su utilización, que será visado en el Colegio profesional correspondiente. Se deberán incluir los cálculos, planos de definición y manual con procedimiento de primer montaje, y si corresponde un manual de movimiento o de colado, de desmontaje, requisitos de materiales y procedimiento para el control de recepción.

1.2.10 “Nota técnica para el desarrollo de los artículos de la Instrucción de concreto estructural relativos al control de la ejecución de puentes”: En esta nota la Dirección General de Carreteras desarrolla lo establecido por la anterior EHE en los distintos aspectos del control de ejecución intenso de los puentes. Incluye las bases generales del control (control de producción, control de recepción, plan de control particularizado a cada puente, control por actividades y por elemento estructural, y el registro documental necesario) y particulariza para el caso de los puentes de carretera los artículos de la anterior EHE referidos a control de ejecución.

1.2.11 “Recomendaciones para la realización de pruebas de carga de recepción en puentes de carretera”: En este documento se define la metodología a seguir para realizar la preceptiva prueba de carga de los puentes de carretera. Incluye recomendaciones para la preparación, realización y posterior análisis de los resultados de la prueba (definiendo el rango de los valores que pueden considerarse correctos).

34

5. MATERIALES Los materiales predominantes en la construcción de puentes son para las diferentes partes de la estructura:



Superestructuras: concreto armado, concreto pretensado y acero estructural más concreto (mixtas) o acero estructural (metálicas).



Pilas, estribos y cimentaciones: concreto armado.

Todo lo referente a materiales utilizados en México se puede consultar en la Normativa Para la Infraestructura del Transporte de la SCT, en la Norma Características de los Materiales (NCMT), que entre otras cosas contiene los requisitos de calidad que deben de cumplir los materiales.



Materiales para mampostería

N-CMT-2-01



Materiales para concreto hidráulico

N-CMT-2-02



Acero y productos de acero

N-CMT-2-03



Soldadura

N-CMT-2-04



Pintura para recubrimiento de estructuras

N-CMT-2-07



Placas y apoyos integrales de neopreno

N-CMT-2-08



Apoyos especiales para puentes

N-CMT-2-09

35

5.1 Concreto El concreto constituye una piedra artificial. Se fabrica con la mezcla de materiales inertes (agregados gruesos y finos), de materiales cementícios (cementos) y de agua, a los que se agregan otros elementos aditivos para mejorar su comportamiento en alguna de sus características. Se tipifican de acuerdo con el siguiente formato que debe reflejarse en los planos y en el pliego de prescripciones técnicas particulares según el artículo 39.2. de la EHE-08: T – R / C / TM / A Dónde:

T: indicativo que será:



HL: concreto de limpieza.



HM: concreto en masa.



HA: concreto armado.



HP: concreto pretensado.

R: Resistencia característica especificada en N/mm2, corresponde a la resistencia a compresión a los 28 días fck. La serie recomendada es la siguiente: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70,80, 90 o 100. La resistencia de 20 N/mm2 sólo es utilizable en concretos en masa.

C: Letra inicial del tipo de consistencia del concreto. Conforme al artículo 31.5. de la EHE-08 puede ser:



S: seca (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 0 y 2 cm)



P: plástica (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 3 y 5 cm)



B: blanda (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 6 y 9 cm)



F: fluida (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 10 y 15 cm),



L: líquida (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 16 y 20 cm) 36

TM: Tamaño máximo del agregado en milímetros, definido en el artículo 28.3 de la EHE-08. El tamaño máximo de un agregado grueso está limitado por la dimensión mínima de la pieza o la distancia horizontal libre entre vainas o armaduras.

A: Designación del tipo de ambiente, de acuerdo con el artículo 8.2.1 de la EHE.-08 Existen dos tipos de clases de ambiente la clase general de exposición, que se debe definir siempre y la clase específica que sólo se indica cuando corresponde.

Para las cimentaciones la clase general de exposición más habitual es la IIa, si existe agresividad química del terreno debe incluirse en la denominación la clase específica Qa, Qb o Qc según el grado de ataque químico que se pueda producir, por ejemplo la designación sería IIa + Qb. Para los alzados de pilas y estribos y para las superestructuras de los puentes la clase de exposición general o el tipo de ambiente normal suele ser IIa (humedad alta), para zonas con precipitaciones media anual superior a 600 mm. y IIb (humedad media) en donde la precipitación media anual es inferior a 600 mm. En zonas situadas en las proximidades de las líneas costeras, a menos de 5 km, la clase de exposición que corresponde es la IIIa (ambiente marino aéreo). Cuando existen elementos sumergidos permanentemente por debajo del nivel mínimo del mar la clase general de exposición es la III b (ambiente marino sumergido). En el caso de que los elementos puedan estar sometidos al contacto con sales de deshielo (utilizadas comúnmente en zonas de alta montaña) la clase específica de exposición es la H (ataque hielo – deshielo) y en el caso particular de las superestructuras es la F (ataque por sales fundentes).

37

1.2.12 Ejemplos de tipificación de concretos: Concreto de limpieza:

HL – 15 / B – 20

Cimentaciones:

HA – 25 / P – 25 – IIa + Qa

Alzados pilas o estribos:

HA – 25 / B – 20 – IIb

Superestructuras de concreto armado:

HA – 30 / F – 20 – IIa +

F Superestructuras de concreto pretensado:

HP – 35 / F – 18

El concreto deberá ser tal que además asegure el cumplimiento de los requisitos de durabilidad

(contenidos

mínimos

de

cemento

y

relación

agua

cemento

máxima)

correspondientes al ambiente del elemento estructural de acuerdo al artículo 37.3 de la EHE08. En las siguientes tablas extraídas de la Instrucción EHE-08 se indica que el tipo de ambiente determina una resistencia característica mínima, por ejemplo para el ambiente marino tipo IIIa no pueden utilizarse concretos de resistencia inferior a 30 MPa, y la relación máxima de agua – cemento.

38

39

5.2 Aceros para armaduras Los aceros utilizados en la construcción de puentes de concreto son de dos tipos. Las denominadas armaduras pasivas que son elementos del tipo barras corrugadas, que se disponen en el concreto y actúan conjuntamente con él por simple adherencia superficial. En cambio se denominan armaduras activas a las de acero de alta resistencia mediante las cuales se introduce la fuerza del pretensado en los elementos de concreto.

5.3 Armaduras pasivas Las armaduras pasivas son habitualmente de acero tipo B500 S, y pueden estar constituidas por barras corrugas o mallas electrosoldadas, los diámetros nominales en milímetros de las barras corrugadas se ajustan a la siguiente serie: 6 – 8 - 10 – 12 – 14 – 16 – 20 – 25 – 32 y 40

Las características mecánicas vienen definidas en el artículo 32 de la EHE-08. El límite elástico de este tipo de acero es de 500 N/mm2 y la carga unitaria de rotura es de 550 N/mm2.

5.4 Armaduras activas Los elementos constituyentes son alambres, barras o cordones. Los alambres son productos de sección maciza procedentes de un estirado en frío y que habitualmente se suministra en rollos. Las barras son un producto de sección maciza que se suministra sólo en forma de elemento rectilíneo. Los cordones de siete alambres son el conjunto formado por seis alambres de igual diámetro nominal enrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central recto. En los elementos en que las armaduras activas son pretensadas, es decir que se introduce la fuera de tesado antes de que el concreto endurezca, por ejemplo en las vigas prefabricadas, se utilizan habitualmente cordones. En el caso de introducir la fuerzas de tesado en el concreto ya endurecido, como sucede en las superestructuras colados in situ, se suele utilizar tendones que están constituidos por una serie de cordones que se introducen en unos conductos metálicos incluidos en la superestructura para ello. Una vez que el concreto alcanza la resistencia especificada se tesan estos tendones mediante gatos dispuestos en sus extremos.

40

Las características mecánicas de estos tipos de acero pasivo vienen definidas en el artículo 34 de la EHE-08. El tipo de acero activo más usual en puentes es el designado Y 1860 S7. La serie de diámetros nominales en milímetros es: 9.3 – 13.0 – 15.2 – 16.0 .La carga unitaria máxima de este tipo de acero es de 1860 N/mm2.

Figura 25. Armaduras activas.

Figura 26. Armaduras pasivas. Fuente: Proes, Consultores.

41

5.5 Aceros estructurales Los aceros utilizados en la construcción de puentes metálicos y mixtos son principalmente los denominados S 355, de los que existen varios tipos que se utilizan de acuerdo con las condiciones climáticas de la zona en que se sitúa el puente. En particular la temperatura más baja registrada en los últimos cincuenta años en la estación meteorológica más próxima al puente es la que permite elegir el tipo de acero, entre: S 355 J2G3, S 355 J2G4 o S 355 K2G3 o S 355 K2G4 También suelen utilizarse los aceros denominados tipo “CORTEN” o autopatinables, que se identifican con la letra W, como por ejemplo los más frecuentemente utilizados denominados S 355 J2G1W y el S 355 J2G2W. Estos aceros estructurales a diferencia de los anteriores no requieren un tratamiento de protección frente a la corrosión, ya que tienen la característica de que forman en su superficie una película de óxido que los autoprotege, aunque no se los puede utilizar en zonas de ambiente marítimo. Cabe mencionar que en función del espesor nominal se establece el límite elástico del acero y el de rotura. Las características mecánicas y físicas de estos aceros se encuentran definidas en las normativas RPM-95 “Recomendaciones para el proyecto de puentes metálicos para carreteras” y RPX-95 “Recomendaciones para el proyecto de puentes mixtos para carreteras”.

42

6. FORTIFICACION DE TUNELES 1.3 ASPECTOS GENERALES

La fortificación consiste básicamente en recubrir o reforzar el entorno de una labor subterránea, mediante algún elemento de sustento, tales como marcos, mallas, pernos, shotcrete, o una combinación de ellos. La

fortificación en labores mineras, es una actividad que constituye una importante contribución a la seguridad en labores subterráneas, por lo tanto, los encargados de esta importante labor minera tienen una gran responsabilidad y deben estar seguros de que su trabajo esté bien hecho. La fortificación en labores mineras tiene los siguientes objetivos básicos: •

Evitar derrumbes

•

Proteger a los trabajadores, equipos, herramientas y materiales

•

Evitar deformaciones de las labores subterráneas

El Reglamento de Seguridad Minera (D.S. Nº132, Capítulo Sexto “Fortificación”, articulo 157) Indica que: “Los trabajos subterráneos deben ser provistos, sin retardo, del sostenimiento más adecuado a la naturaleza del terreno y solamente podrán quedar sin fortificación los sectores en los cuales las mediciones, los ensayos, su análisis y la experiencia en sectores de comportamiento conocido, hayan demostrado su condición de autosoporte consecuente con la presencia de presiones que se mantienen por debajo de los límites críticos que la roca natural es capaz de soportar.” Las principales funciones que debe cumplir un sistema de fortificación son: •

Reforzar el macizo rocoso para fortalecerlo, permitiendo que éste se soporte por si mismo, aminorando de esta forma el fracturamiento progresivo que sufre.

•

Retener la roca fracturada en las superficies de la excavación (zona plástica), por razones de seguridad

•

Sostener o adherir fuertemente el o los elementos del sistema de soporte al fondo de la roca estable y prevenir el fracturamiento de roca por efecto de la gravedad.

La fortificación se realiza en todas las labores mineras tales como: •

Galerías

•

Chimeneas

•

Preparación y hundimiento

•

Caserones (temporal)

•

Zanjas (temporal)

•

Lugares de acopio de mineral o materiales, etc. Un sistema de soporte incluye una combinación de elementos, en el cual, cada uno de ellos provee una o más de las funciones descritas anteriormente. Algunos elementos actúan en paralelo y disipan la energía de deformación sinérgicamente, mientras que otros, actúan en serie por transferencia de cargas entre los elementos de soporte (malla a pernos o shotcrete a pernos). La interacción entre los elementos del sistema de soporte, determinará la capacidad del sistema de fortificación. Para definir el diseño más adecuado de soportación, se emplean algunos de los sistemas de clasificación geotécnica para macizos rocosos, tales como, el RMR de Beniawski, RMR de Laubscher, el Q de Burton y otros basados fundamentalmente en las propiedades mecánicas y/o estructurales de las masas rocosas

1.4

ELEMENTOS DE FORTIFICACIÓN

Son las unidades básicas de los sistemas de fortificación. Se pueden clasificar según su temporalidad y según su funcionalidad. Desde el punto de vista de la temporalidad, básicamente es posible distinguirlos por los tipos de fortificación y por la vida útil del sistema de soporte, existiendo los siguientes: Fortificación Sistemática, temporal o de Desarrollo: Es un sistema de sostenimiento de corto tiempo (menos de un año) y se caracteriza por que se instala inmediatamente después del disparo (detonación) del frente, brindan seguridad inmediata al personal y a los equipos, evitan el deterioro prematuro del macizo rocoso. Ejemplo: Pernos con Anclajes, pernos roscas, mallas, etc.

Fortificación Definitiva: Se instalan para asegurar la estabilidad de las labores y sus singularidades y se instalan en forma posterior a los disparos de avance para toda la vida útil del proyecto. Ejemplo: Cables de Acero, Pernos con resina o cementados, shotcrete, marcos metálicos y otros. Desde el punto de vista de la función de un sistema de sostenimiento, se clasifican como Fortificación Activa y Fortificación Pasiva. •

Fortificación Activa: Son aquellos elementos o sistemas de soporte que ejercen acción soportante, desde el mismo momento en que son instalados, mediante la aplicación de una carga externa sobre el macizo rocoso. También se definen como activos, aquellos sistemas que modifican el int e r io r de l m a ciz o. E nt re es to s t en e mo s l o s P ern o s co n An cl a je s Expansivos, Pernos tensados y Cables de Acero tensados,

Split set y otros. Fortificación Pasiva: Son aquellos elementos o sistemas de soporte que no aplican ninguna carga externa al momento de la instalación y sólo trabajan cuando el macizo rocoso experimenta alguna defo rmación o cuándo son solicitados estáticamente. También se definen como Pasivos los sistemas que modifican el exterior de la excavación: Entre estos se encuentran las mallas, Soporte con Maderas, Marcos Metálicos, Shotcrete, etc. En la industria minera se conocen los siguientes elementos de fortificación: •

Pernos

•

Cables

•

Malla

•

Madera

•

Marcos metálicos

•

Hormigón armado

•

Schotcrete Actualmente se usan diferentes tipos de pernos de anclaje. Muchos de ellos tienen muy poca diferencia uno de otro y en su diseño son variedades del mismo concepto. Sin embargo, es posible clasificar a estos de acuerdo al sistema de anclaje o sujeción. Este puede ser anclaje puntual (extremo) o sistemático a lo largo de toda la barra del perno o anclaje repartid o. Solamente los más ampliamente difundidos se considerará en la siguiente clasificación:

•

Pernos anclados mecánicamente

•

Pernos anclados con resina o cemento

•

Pernos anclados por fricción Debido a los riesgos propios que conlleva el empernado de roca, su instalación se debe efectuar con el cuidado que merece. Es por ésta razón que se debe hacer lo posible por capacitar a todo el personal para que puedan aplicar los procedimientos técnicos del sostenimiento en forma adecuada. Por su parte, los supervisores deben velar por que dichos procedimientos se apliquen siempre. La selección y el método de instalación de un perno para roca, dependen de lo siguiente; el tipo de roca, el tamaño y la dirección del movimiento del macizo rocoso, la presencia de agua o humedad y la duración planeada para la labor. El perno de anclaje con cabeza de expansión es el más común de este tipo de anclaje mecánico. Al introducir el perno en la cuña de la cabeza de expansión, ésta se expande y queda sujeta en las paredes de la roca dentro de la perforación. Este sistema es usado tanto en las labores

PERNOS ANCLADOS MECÁNICAMENTE

mineras como en las de ingeniería civil. Con

muy pocas excepciones, estos pernos de anclaje se usan en rocas medianamente duras o duras. No es recomendable usar en rocas muy duras, pues la cabeza de expansión puede que no penetre adecuadamente en las paredes de la perforación y con el tiempo resbalar. En lugares donde la labor permanecerá por muchos años se puede rellenar con cemento. Los pernos de anclaje constan de las siguientes partes: •

Cabeza de expansión

•

Perno de anclaje

•

Plancha metálica (4’ x 4’ y 1/4” de espesor)

•

Tuerca del perno

1.4.1 Ventajas •

Relativamente de bajo costo

•

Trabaja de manera inmediata

•

Al girar el perno, se aplica presión lateral en la cabeza del perno y de esta manera se acumula tensión en el mismo

•

Con un relleno posterior de cemento el perno puede servir como fortificación permanente

•

En rocas duras el perno puede soportar cargas altas

•

Es un sistema versátil para fortificación en rocas duras

1.4.2 Desventajas •

Su uso está limitado a rocas moderadamente duras a duras.

•

Difícil de instalar.

•

Debe ser monitoreado después de su instalación.

•

Pierde capacidad debido a tronaduras cercanas o cuando la roca

• 1.5

PERNOS ANCLADOS CON RESINA O CEMENTO

Los pernos de anclaje por adherencia, con resina o cemento han sido usados en los últimos 40 o 50 años en minas y construcciones civiles. El tipo más comúnmente usado es el perno, barra de fierro o acero tratado. Se utiliza cemento o resina como adherente. Debe asegurarse la adherencia necesaria para solidarizar la barra al terreno. La resina resulta conveniente para ser usada en pernos sometidos a altas tensiones desde momentos tempranos y se prestan para pretensado, lo cual no descarta su uso en pernos sin tensión previa. En cualquiera de sus variedades, es recomendable para soporte temporal o permanente bajo variadas condiciones de rocas. El perno de acero tratado se utiliza predominantemente en aplicaciones de ingeniería civil para instalaciones permanentes. Hace pocos años atrás se anticipó que la resina podría, en general, reemplazar el uso del cemento como agente adherente, sin embargo, por una serie de razones, principalmente el costo, esto no ha ocurrido.

1.5.1 Ventajas: •

Rápida acción después de haber sido instalado

•

Si una resina de rápido fraguado se usa como adherente, el perno puede ser permanentemente presionado

•

En instalaciones permanentes el perno puede tener alta resistencia a la corrosión.

1.5.2 Desventajas: •

Dificultad con los cartuchos de resina en ambientes subterráneos que pueden afectar su uso

•

En determinados casos su manipulación representa un riesgo

1.6

PERNOS ANCLADOS POR FRICCIÓN Estos pernos representan el más reciente desarrollo en la técnica del anclado. Existen dos tipos:

•

Split set (Figura 4)

•

Swellex (Figura 5) Para ambos sistemas, la resistencia a la fricción para el deslizamiento entre la roca y el acero, sumado a la acción mecánica de bloqueo es generada por la fuerza axial entre la superficie del barreno y el perno. En instalaciones transitorias la presencia de humedad no es inconveniente, pero debe descartarse para uso permanente bajo estas condiciones. Aunque los dos sistemas están descritos bajo un mismo denominador, estrictamente hablando solo el split set es realmente de fricción. En caso del swellex, combina la fuerza de fricción sumada al mecanismo de expansión del perno al interior del barreno que habitualmente tiene paredes irregulares. Esta situación genera una acción de bloqueado que permite obtener alta resistencia a la tracción. Ambos pernos son habitualmente usados en minería, y su uso en ingeniería civil es limitado, pero el Swellex está ganando campo en trabajos de túneles.

1.6.1 Ventajas: •

Instalación rápida y simple

•

El soporte es inmediato después de su instalación

• •

Puede ser usado en una variedad de condiciones de terreno La instalación causa contracciones a lo largo del perno, esto tensiona efectivamente la plancha contra la superficie de la roca

1.6.2 Desventajas: •

Relativamente caro

•

Se requiere protección contra la corrosión si se usa en instalaciones permanentes

•

Se requiere una bomba para su instalación. (Swellex)

Los pernos de anclaje sirven para fortificar el techo y los lados de las labores mineras, donde existe peligro de caída de rocas, también su uso es para asegurar fracturas grandes u otras áreas de roca insegura que no pudieron ser eliminadas mediante la acuñadura. Los pernos de anclaje se usan también en otros trabajos mineros como por ejemplo, en el soporte de cañerías para aire y agua. Los pernos de anclaje pueden utilizarse también en la sujeción temporal del techo de una zanja o veta en explotación, o los lados de los mismos. 1.7

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO, UBICACIÓN E INCLINACIÓN DEL PERNO DE ANCLAJE. El

número de pernos de anclaje depende del tamaño de la roca a asegurarse y del grado de peligro de caída de la misma. Como guía para áreas normales que necesiten pernos de anclaje, podemos decir que pueden estar espaciados cada 1.20 mt de distancia. Los pernos de anclaje deben instalarse en una posición tal que le permita pasar por la fractura o fracturas y la roca madre, permitiendo de esta manera que la cabeza de anclaje quede fija en la roca firme. Los pernos de anclaje son de diferentes diámetros (3/4”, 1/2”, 1”) y vienen en diferentes largos. La plancha del perno de anclaje , en lo posible , debe ser perpendicular al perno de anclaje y debe ser considerado al momento que se elija el lugar donde se colocará el perno. La

inclinación de los pernos de anclaje es muy importante para su efectividad. En lo posible el perno debe ser colocado perpendicularmente a la fractura o fracturas y a la cara de la roca.

1.8 Una vez realizada la perforación para instalar el perno de anclaje, se procede de la siguiente manera para su instalación:

· Colocar la plancha en la base del perno. · Enroscar, un poco y con la mano, la cabeza de expansión en el otro extremo del perno.

· Insertar completamente el perno en la perforación, con la cabeza de expansión hacia adelante, hasta el fondo de la perforación.

· Enroscar el perno de anclaje, girando en sentido del reloj la cabeza del

perno. Esto enrosca el perno dentro de la cabeza de expansión y la expande y se acuña (asegura) contra la roca y queda firme. Se puede enroscar el perno inicialmente manualmente con ayuda de una llave inglesa, pero al final se tiene que asegurar con la máquina aseguradora.

· Conectar la máquina aseguradora con la manguera para aire comprimido. · Colocar la palanca en dirección de las agujas del reloj (a la derecha). · Colocar la boca de la máquina sobre la cabeza del perno. · Apretar el botón de arranque y el perno será asegurado. · Verificar si el perno está seguro.

Plancha en la base del perno

FORTIFICACIÓN CON CABLES DE ACERO

Los tres componentes básicos del diseño de un cable de acero normal son:

· · ·

los alambres que forman el cordón. los cordones. el alma.

•

Los alambres son las unidades básicas de la construcción del cable de acero. Los mismos se arrollan alrededor de un centro en un modo específico en una o más capas, de manera de formar lo que se denomina un “cordón”. Los cordones se arrollan alrededor de otro centro llamado “alma” y de esta manera se conforma el cable de acero. La forma más simple de representar un cable de acero es por su sección transversal:

•

Este sistema ha sido utilizado en refuerzos de estructuras rocosas de obras civiles en los pasados 20 ó 30 años. Este sistema fue introducido en la industria minera hace unos 15 a 20 años, teniendo un notable desarrollo en sistemas sin pretensión.

•

Hay varios hechos en el uso del cable flexible respecto de la barra de acero o acero tratado que lo hacen particular. Por ejemplo, la variación del largo del barreno no le afecta por cuanto el cable puede ser instalado en cualquier longitud y en galerías estrechas, tiene una alta capacidad de soporte de carga, con un costo más reducido y por último se presta notablemente para la mecanización.

Su uso como elemento de anclaje está creciendo rápidamente y son utilizados en sistemas permanentes de fortificación (Figura 12). En ingeniería civil ha tenido notable desarrollo. El cable normalmente utilizado corresponde al tipo 15,2 mm x 7 torones.

Fortificación con cable y resina

•

Su principal campo de aplicación son en el control de bloques inestables, tales como: excavaciones de gran tamaño, puntos de extracción, piques de traspaso, intersecciones de galerías

•

Una vez instalados y anclados pueden tensarse por medio de herramientas especiales, con lo cual se obtiene mayor estabilidad de la roca al lograr un reforzamiento adicional. Posteriormente se cementan en toda su longitud (o no) consiguiéndose un mayor confinamiento y protección a la corrosión. La función principal del cemento o resina es la de transferir la carga de la roca al cable, además de cumplir con la función de anclaje cable- macizo.

Ventajas: · Costo reducido · Correctamente instalado, es un durable sistema de refuerzo · Puede ser instalado de cualquier largo en áreas estrechas · Entrega una alta capacidad de carga en cualquier tipo de roca · Alta capacidad a la corrosión ·

Una vez anclados pueden tensarse por medio de herramientas especiales

Desventajas: ·

Una pretensión del cable sólo puede ser posible con una instalación especial

·

El uso de cemento estándar requiere de varios días de fraguado, antes que el cable pueda tomar carga

1.8.1 Partes de Cables Anclados Este tipo de pernos constan de los siguientes elementos: ·

Cable de acero del tipo 15,2 mm x 7 torones (más común)

·

Resina o cemento

·

Barril

·

Cuña

· ·

Planchuela Separadores de cables

El barril y la cuña, constituyen el sistema de anclaje externo del cable, ya que al interior del macizo, dicha función la cumple la lechada. En

conjunto ambos sistemas, permiten que se realice la transferencia de carga de la roca al cable.

•

Las planchuelas cumplen la función de permitir el trabajo en conjunto del cable con el sistema de fortificación (malla o malla–schotcrete), formando parte también del sistema de anclaje del cable, colaborando en la transferencia de la carga al cable. Los separadores permiten contar con la máxima fuerza de adherencia al reducir vacíos y discontinuidades en la lechada interior. Su utilizan en la instalación de cables dobles, los que permiten, en comparación a los cables simples, aumentar la capacidad de carga del conjunto.

2

FORTIFICACIÓN CON MALLAS DE ACERO Las mallas para fortificación de túneles están fabricadas, por alambre de acero especial de alta resistencia, en diferentes grosores, lo que permite utilizar una mayor distancia entre los anclajes. Su

uso es especialmente indicado en zonas comprometidas por estallidos de rocas o donde el macizo rocoso está muy alterado y por lo tanto muy fragmentado.

El alambre está protegido contra la corrosión por una aleación especial 4 veces superior al galvanizado habitual, lo que lo hace muy útil y usado en ambientes mineros. En minería hay dos tipos de mallas que son las utilizadas; las Mallas Mineras Electrosoldadas (Figura 14) y las Mallas Tejidas, trenzadas o de “bizcocho”

Tipos de mallas Electrosoldadas.

•

Las mallas soldadas se caracterizan por tener medidas y pesos conocidos, tiene uniones más sólidas y terminaciones de alta calidad, al tener uniones soldadas que no se "corren", las secciones de acero se mantienen sin variación y por tratarse de elementos prefabricados, las mallas soldadas son fáciles y rápidas de instalar, ahorrando tiempo y dinero.

Malla tejida o de “bizcocho”

•

•

•

•

La principal característica de las mallas tejidas es su alta flexibilidad y capacidad de absorber importantes cantidades de energía, dependiendo de su instalación. Es muy eficiente en la retención de bloques pequeños inestables, provocados por eventos sísmicos, activaciones estructurales y otros. Para la fortificación, las mallas se instalan apegadas a las paredes de la labor, con todas sus singularidades, siendo afirmadas con pernos de anclaje o con lechada, dependiendo de la durabilidad y afianzadas a la superficie de la roca con planchuelas y tuercas. Entre una y otra malla deben ser traslapadas en sus bordes periféricos. Las mallas metálicas se usan como parte de sistemas de fortificación, y es un muy buen complemento al shotcrete. 2.1.1 FORTIFICACIÓN CON SHOTCRETE U HORMIGÓN PROYECTADO

El hormigón proyectado o Shotcrete es un material transportado a través de una manguera, que se lanza neumáticamente, a alta velocidad, contra una superficie. La fuerza con que el hormigón o mortero llega a la superficie, hace que la mezcla se compacte logrando que esta se sostenga a sí misma, sin escurrir, incluso en aplicaciones verticales y sobre la cabeza.

3

•

Este sistema, relativamente nuevo y que ha tenido en los últimos años un gran desarrollo, sólo o combinado con otros métodos activos de sostenimiento, da más rapidez, seguridad y menor costo a la faena.

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La teoría del sostenimiento por shotcrete se basa en que todo macizo rocoso tiene una tensión interna estable la que se ve alterada cuando, por efecto de la construcción del túnel, se efectúa una perforación en él. Si la roca está muy averiada por efectos de fallas, meteorización y/o el disparo, la fricción de las partes quebradas no será suficiente para detener el movimiento de los fragmentos, es decir, este punto de la excavación es ahora inestable y trata de desplazarse en dirección de la menor fuerza, o sea, hacia adentro del túnel.

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Investigaciones han demostrado que si las rocas quebradas alrededor del túnel están ligadas entre sí y se soportan unas a otras, la estabilidad se recupera, logrando que la roca se autosoporte.

FORTIFICACIÓN CON MARCOS METÁLICOS •

En los comienzos la madera fue usada para la confección de estos elementos de fortificación, por su accesibilidad, buenas condiciones de flexibilidad, pero normalmente tenían una corta vida útil por el deterioro normal que sufre al estar expuesta a las condiciones ambientales subterráneas. Con el pasar de los años, a comienzos de la dé cada del 40 se inició y desarrolló el marco metálico , reemplazando paulatinamente la fortificación de madera, pues son más rápidos y sencillos en colocar y ceden en mucho menor grado, ya que no se deterioran fácilmente como la madera. Este tipo de sostenimiento se utiliza principalmente bajo condiciones, de alta inestabilidad, donde las presiones son demasiado altas para otro tipo de sostenimiento.

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Este mecanismo de sostenimiento, desde el punto de vista de la temporalidad es del tipo definitiva y desde el punto de vista de la funcionalidad es un sistema de fortificación pasiva, pues modifican el exterior de la labor y actúa al momento de que el macizo rocoso comienza a sufrir deformaciones o solicitaciones. Su utilización principal es en los siguientes sectores mineros:

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Puntos de Extracción: se utilizan entre 2 a 5 marcos alineados en una Configuración típica, embebidos en hormigón armado.

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Reparación de sectores colapsados: se utilizan para recuperar la infraestructura minera colapsada, generalmente combinado, con encastillamiento de madera.

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Desarrollo de galerías con alta presencia de agua o de muy mala calidad geotécnica: en este ambiente es imposible utilizar otro tipo de sostenimiento, como por ejemplo pernos o cables.

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Zonas de

sobre excavación: Se utilizan los marcos en zonas sobre

excavadas, producto de sistemas estructurales, asociado con castillos de maderas. Los marcos determinan la forma del túnel o labor en estos casos.

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Intersección de labores, donde el cableado no sea eficiente. Portales de acceso a labores en general. El marco de acero está formado por dos o más piezas metálicas de sección H, L, U. Su estructura puede seguir líneas rectas como la enmaderación o estar constituida por elementos curvos, siguiendo la forma de la excavación de la galería. La unión de las piezas se puede hacer por medio de placas metálicas soldadas a los extremos de las piezas del marco, las cuales son unidas por pernos.

Las partes principales de un marco son: ·

2 pies derechos o postes verticales o inclinados

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1 corona o viga (de 1, 2 o 3 piezas) En el caso de túneles construidos para acueductos, de sección circular, existen diseños de marcos metálicos completamente circulares formados por 4 piezas convexas que forman la sección deseada. En esta situación, de túneles con grandes presiones circulares, la ventaja radica en que su parte convexa se apoya sobre el terreno y no puede doblarse.

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La fortificación con madera fue el método más ampliamente usado durante la minería del siglo pasado y aún en la actualidad es muy usada en la pequeña minería y en la minería subterránea del carbón, aunque en la gran mine ría actualmente tiene un uso restringido a algunos complementos a otros sistemas de sustentación o a sectores muy peligrosos que requieren fortificación pasiva y temporal.

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Por ejemplo, en el método de extracción por Hundimiento de Bloques, cuando la estabilidad de las labores es precaria con condiciones de fortificación desfavorables, se procede a fortificar aplicando diferentes sistemas según el grado de peligrosidad que presente el sector:

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En el Nivel de Hundimiento: Cuando las viseras del frente de hundimiento estén en malas condiciones o exista una condición de peligro localizada, se instalaran Monos de madera de dimensiones acorde al terreno, con la finalidad de sostener el posible desmoronamiento de la visera o sostener un planchón cuña localizado, además este sistema permite advertir la presión del cerro en el sector (a través del daño observado en la madera) .

En cualquier nivel de la mina, el método utilizado para proteger y asegurar a las personas y equipos, son los marcos de madera, que se instalan principalmente para asegurar sectores con mayor daño y extensión, originados principalmente por fallas geológicas o eventos sísmicos de tronaduras anteriores. Después de cada polvorazo o activación natural de una zona y antes de instalar monos, se debe realizar la acuñadura de cajas y techos, con barretillas del largo adecuado a la sección. Además, se deben descargar las mallas y verificar la existencia de fallas geológicas que formen cuñas inestables. La instalación de monos se hace desde afuera hacia el frente hundido, para ir asegurando el sector. Se instalan los monos que sean necesarios para resguardar la integridad de las personas. Una vez visualizado y evaluado el sector, se pone el mono con la inclinación necesaria para la sujeción de planchón o cuña, se cortan a medida, poniendo especial cuidado de que tenga un buen apoyo en la base para asentar la “callampa” y luego instalar el mono, poner la callampa superior y su posterior bloqueo con cuñas. Se ponen monos provisorios para evitar deslizamiento o caída de colpas. En el caso de colocación de marcos de madera, la instalación de los pie derechos y sombreros se realiza con el apoyo de equipo pesado, LHD o mini cargador. Para asegurar la verticalidad y función de los 2 primeros pie derecho se deben utilizar bloques de m adera, cuñas y diagonales de medias lumas. Una vez asegurados los pies derechos, se instala el sombrero con el apoyo de equipo, evitando siempre ubicarse bajo carga suspendida. Dependiendo de la longitud de la sección a fortificar,se instalan la cantidad de marcos necesarios, de acuerdo a los pasos anteriormente señalados

7) BIBLIOGRAFIA 1. Normas Técnicas para el proyecto de Puentes Carreteros, México D.F., 1984 Tomo I y II. 2. Normativa para la infraestructura del Transporte, México, D.F., última versión

que

se

puede

consultar

en

internet.

http://normas.imt.mx/index.php. 3.

Conrad P. Heins, Richard A. Lawrie, “Design of Modem Concrete Higway Bridge” LIMUSA.

4. The American Association of State Highway and Transportation Officials, Inc., “Standard Specifications for Highway Bridges”, A.A.S.H.T.O. 2007 5. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, “Diseño de Vigas de Concreto Presforzado”, IMCYC 1985. 6. Puentes I y Puentes II. E.T.S.I.C.C.P. Cátedra de Puentes. Profesor: Dr. Ingeniero de Caminos Javier Manterola.