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TEORIA PUENTE EN VOLADIZO SUCESIVO

INTRODUCCIÓN

La construcción de puentes, se presenta como una de las actividades más antiguas del hombre. Son obras que servían y sirven actualmente para interconectar ciudades, considerando salvar obstáculos como ríos, grandes valles y depresiones topográficas. Las formas y los materiales que han sido utilizados para la construcción de puentes a lo largo de la historia, han ido evolucionando de forma progresiva con el desarrollo del hombre. El sistema constructivo de puentes por avance en voladizos, se utiliza y está directamente relacionado para aquellos puentes que presentan grandes luces, donde la construcción de la vía se realiza a partir de las pilas, y es aplicable para distintos tipos de puentes como los rectos, curvos, atirantados, metálicos, de hormigón, mixtos, puentes con sección de cajón, entre otros.

TÉCNICA DE CONSTRUCCIÓN DE PUENTES POR VOLADIZOS SUCESIVOS

Este método o técnica constructiva se define como la ejecución del tablero del puente, avanzando por tramos sucesivos, haciendo soportar a la parte ya construida el peso del tramo en construcción. Cada tramo o dovela se une y funde al precedente cuando adquiere una resistencia suficiente. Entonces se convierte en auto portante y sirve de base de arranque para un nuevo tramo. La construcción por voladizos sucesivos puede realizarse con una única dirección de avance, la denominada construcción evolutiva; o bien con crecimiento simétrico del tablero a ambos lados de las pilas, voladizos compensados. En el primer caso, se suprime uno de los inconvenientes de la progresión simétrica del tablero, con la consecuente multiplicación de equipos; uno por cada frente de avance; o su traslado.

HISTORIA Y EVOLUCION DE LAS CONSIDERACIONES DE DISEÑO

La técnica del voladizo se utilizó en el siglo XIX en el lanzamiento de obras metálicas, en la construcción de grandes arcos y “cantilever”. Con la llegada del hormigón armado este procedimiento empezó a interesar a los constructores. El primer puente construido por voladizos sucesivos fue el puente sobre el río Peixe en Herval (Brasil), data de 1930, siendo su autor el Ingeniero Emilio Henrique Baumgart; se trata de un puente de hormigón armado de dintel continuo de tres vanos, con 68 m de luz en el central. En este puente, las armaduras del tablero se extendían mediante manguitos roscados a medida que avanzaba el hormigonado. Sin embargo, con hormigón armado se necesitaban muchas armaduras para asegurar la resistencia de las ménsulas (Un puente en ménsula es un puente en el cual una o más vigas principales trabajan como ménsula o voladizo.) y aparecía una fuerte fisuración en el extradós del tablero, lo que provocó que el sistema no tuviese mucho éxito. Por otro lado, con el Hormigón Pretensado el sistema empezó a desarrollarse plenamente. Así, Freyssinet empezó a utilizar el pretensado para el montaje en voladizo en las primeras dovelas del puente de Luzancy en 1945 y de los cinco puentes sobre el Marne, anclados en los estribos por pretensado. Pero es Finsterwalder quien inicia definitivamente la técnica del voladizo en 1950 en el puente de Balduinstein, sobre el Lahn, con 62,10 m de luz libre, cuando aplica esta tecnología con un pretensado a base de barras que se unían entre sí mediante un sistema roscado. Esta técnica del Hormigón Pretensado se emplea para superar la debilidad natural del hormigón frente a esfuerzos de tracción y fue patentada por Eugène Freyssinet en 1920. El objetivo es el aumento de la resistencia a tracción del hormigón, introduciendo un esfuerzo de compresión interno que contrarreste en parte el esfuerzo de tracción que producen las cargas de servicio en el elemento estructural. En la construcción con dovelas prefabricadas se pueden distinguir tres etapas. La primera generación, en los años sesenta, las dovelas llevaban juntas

de mortero de cemento, llave única a cortante y cables anclados en la propia junta. La segunda se caracteriza por la prefabricación conjugada, el empleo de resinas epoxi en las juntas, las llaves múltiples para el cortante y el anclaje de los cables en el interior de la dovela en unos bloque dispuestos al efecto. La tercera generación, iniciada en Francia, emplea el pretensado exterior y las almas de celosía (puente de Bubiyán en Kuwait, 1983). Para entender la evolución de los puentes diseñados hasta hoy se tienen que analizar las distintas teorías de pre dimensionamiento utilizadas en las últimas décadas.

1. Precast segmental box girder manual (1978) Este documento elaborado por los institutos de pretensado y postensado de EE.UU (PTI y PCI) establece valores basados en la experiencia, pero da información limitada y generalizada. Los valores que recoge son relaciones y aproximaciones entre los parámetros mostrados en las siguientes figuras. Estos valores se muestran a continuación: • Relación H/L: 1/18 – 1/20 • Relación h/L: 1/40 – 1/50 • Voladizos: ¼ del ancho del tablero. • Espesor losa superior: 17.5cm-25cm • Alma: 25cm mínimo, recomendable 35cm • Espesor losa inferior: Mínimo 17.8cm

2. Construcción de puentes de hormigón pretensado por voladizos sucesivos. Mathivat. (1980) Esta teoría de pre-dimensionamiento establece que es mejor pocas almas y anchas, a muchas y estrechas, ya que así se ahorra material; o la validez de cajones monocelulares para anchuras de tablero de hasta 12m.

3. Setra (2003) Esta teoría trata cada elemento por separado (losa superior, losa inferior, almas, etc.) con sus respectivas recomendaciones para su diseño particular. Aporta a todo lo tratado en las anteriores teorías el concepto de losa superior postensada, diseño del alma inclinada y comportamiento del postensado en el proceso constructivo.

4. Puentes. Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Manterola (2006) En esta teoría se corrobora algunas de las teorías anteriores, como la de Mathivat. Contempla la opción de variar el espesor de la losa inferior; descendiendo este conforme se aleja de los pilares.

5. Criterios para la optimización del pre-dimensionamiento de puentes en sección cajón. Ariñez (2012) Es de los estudios más actualizados de pre-dimensionamiento de puentes. Abarcan toda la información hasta el momento y la procesan resultando, que las almas inclinadas son más eficientes que las rectas en cantos pequeños, y al contrario en las grandes. Se hace un aporte muy importante, y es que establece que la relación óptima entre la luz (L) y el canto sobre pilares (H) es 1/17, y que es mejor respetar este límite que aumentar espesores de los elementos.

Resumen de comparativo de teorías de pre dimensionamiento

PROCESO CONSTRUCTIVO Voladizos Sucesivos hormigonados ‘‘In situ’’. Se puede definir el sistema constructivo “In Situ” como la ejecución de la estructura vertiendo el hormigón fresco sobre un encofrado que aloja las armaduras, activas o pasivas, que han sido previamente dispuestas. Es el método constructivo de estructuras de hormigón más antiguo. Desde el punto de vista de la ejecución de un puente, no siempre es aplicable, teniendo en cuenta los requerimientos de apuntalamiento del encofrado (cimbra) que dependen del emplazamiento y de la geometría del puente. Hoy en día se cuenta con sistemas de encofrados y cimbras metálicos que permiten lograr notables reducciones en los tiempos de montaje y amortización de los equipos al posibilitarse reutilizaciones de los mismos Los puentes en voladizos sucesivos se construyen por etapas. Cada etapa corresponde a la construcción de cada una de las dovelas que forman el puente. Este proceso de construcción se puede dividir en tres partes, según su orden de ejecución. 

Operaciones Preliminares (Dovela de pila).



Operaciones Básicas (Ejecución de voladizos sucesivos).



Operaciones Posteriores (Dovela de cierre).

La construcción por avance en voladizo consiste en la ejecución de las dovelas (entre 3 y 5 metros de longitud) a ambos lados de la pila, de forma simétrica. El vaciado se realiza con la ayuda de los encofrados, que a su vez se apoyan en las dovelas anteriores mediante cimbras (La cimbra es una estructura auxiliar que sirve para sostener provisionalmente el peso de un arco o bóveda) para garantizar la continuidad del puente, por medio de cables de pre o post tensado. Vaciando las dovelas sucesivamente sobre los carros, se va avanzando longitudinalmente desde las pilas hasta el centro del vano conectando mediante la dovela clave con el último voladizo del grupo perteneciente a la pila contigua.

1. Operaciones Preliminares El inicio de todo el proceso se da con la construcción de la dovela situada encima de la pila o también denominada dovela “0” o dovela de pila. Esta dovela se construye con un encofrado montado sobre la pila con longitud suficiente para que se puedan montar los carros de avance.

2. Operaciones Básicas Una vez finalizado la construcción de la dovela de pila, se procede a la construcción e instalación de los carros de avance. Estos son el medio más común que se tiene para la construcción del puente por voladizos sucesivos. Sirve para trasladar los encofrados y unir las dovelas, siendo así, la zona central de trabajo de los operarios. Al ubicar el primer carro en la pila, se desplaza para la construcción en voladizo de las dovelas sucesivas de dicho tramo. Así se libera la cabeza de pila para que pueda recibir al segundo carro que se ocupará de la construcción del tramo simétrico. Una vez montado el carro de avance, se hacen revisiones periódicas tanto en el avance del carro, como en el vaciado; ya que en estos momentos son donde se dan las solicitaciones más críticas. Con la ubicación del carro de avance, se procede a la construcción de la dovela 1.

El procedimiento a seguir para la ejecución de las dovelas “in situ” es el siguiente: 

Avance y fijación del carro: es el primer paso, comienza cuando el hormigón alcanza la resistencia necesaria para ser tensado y puede soportar el carro de avance.



Colocación del acero de refuerzo inferior: se monta manualmente el acero de refuerzo de la losa inferior.



Encofrado: se encofra el resto de la sección.



Colocación del acero de refuerzo superior: se monta el acero de refuerzo de la losa superior y las vainas de los cables.



Nivelación del carro: paso previo al vaciado.



Vaciado de la dovela: durante el proceso, el carro se sujeta en los gatos y se ancla al tablero. A medida que se va reduciendo el canto, se deben desmontar los paneles sobrantes. Primero se realiza el vaciado en la losa inferior y se va ascendiendo para terminar con la losa superior.



Desmontaje del encofrado de las dovelas.



Curado del concreto: debe evitarse la aparición de fisuras.



Enfilado y tensado de los cables.



Inyección de las vainas.

3. Operaciones Posteriores Finalizado el vaciado de las dos últimas dovelas y antes de ejecutar la dovela de cierre, se procede a desmontar el carro de avance. A continuación, se vacía la dovela de cierre, que es la encargada de unir los dos tramos que se han ido construyendo por voladizos sucesivos. Este momento es importante porque se transforman dos voladizos independientes entre sí en un vano que trabaja como una viga sustentada en dos apoyos. Para ejecutar la dovela de cierre, se inmovilizan con vigas metálicas los dos semi vanos. Estos semi vanos son independientes entre sí porque provienen de distintas pilas. Así se puede utilizar la plataforma inferior de uno de los carros como superficie de trabajo. Se utilizan encofrados distintos a las anteriores; ya que estas son mucho más ligeras. Finalmente, se realiza el tensado de continuidad, produciéndose así la unión de

los dos voladizos y convirtiéndolos en una viga continua preparada para absorber las cargas móviles estipuladas. Dentro de la zona hueca del tablero se introducen los equipos de enhebrado de cables de postensado. Después éstos se enfilan para posteriormente tensarlos y darle continuidad a la estructura. Para introducir los cables se utilizan los ductos que se han dejado en la losa superior para dicho propósito. Las vainas de los cables de continuidad se inyectan también desde la losa superior del tablero. Finalmente se deben tapar los agujeros que se dejan para el anclaje del carro de avance, así como la instalación de juntas de dilatación si están proyectadas sobre el tablero.

Figura. Vista de la sección longitudinal de un puente donde se aprecian (a) la dovela inicial, (b) las dovelas ya construidas y (c) las dovelas que se están construyendo.

Voladizos Sucesivos por dovelas prefabricadas. El afán por industrializar la construcción es la causa directa de que se empezaran a utilizar los elementos prefabricados. Para el caso de los puentes en avance en voladizo, dicha idea se vio reflejada en el desarrollo y uso de las dovelas prefabricadas, las cuales se empezaron a utilizar tiempo después de que se hicieran las primeras construcciones de tableros hormigonados “In Situ”. La gran diferencia con los tableros hormigonados “In Situ”, es que las dovelas se prefabrican en una zona aledaña al puente, conocida como “fábrica” y se montan en obra, el resto es prácticamente igual. Debido a que los costos en el uso de prefabricados son muchos más altos comparados al de un puente construido por hormigonado “In Situ”, este sistema constructivo es escogido para puentes muy

largos, o para varios puentes, en los cuales se pueda amortizar las costosas instalaciones. Pero si observamos la velocidad de ejecución de los puentes construidos por dovelas prefabricadas, se concluye que es mucho mayor comparado con un puente de tablero “In Situ”. Por ejemplo, un puente “In Situ” se realiza una dovela por semana y frente de trabajo, por lo general, mientras que con dovelas prefabricadas se puede colocar una, e incluso dos dovelas por día y por frente. (Manterola, 2006). La principal característica de éste método consiste en que en las juntas entre dovelas no se deja conexión de armadura pasiva, por lo que la continuidad del tablero se consigue únicamente mediante el pretensado, lográndose un montaje de elementos sencillo que permite una gran rapidez de montaje, que da lugar a algunos condicionantes característicos del sistema.

RANGO DE LUCES

El campo habitual de aplicación de los puentes construidos por voladizos sucesivos abarca luces entre 50 y 250 m. Sin embargo, y de forma excepcional, pueden encontrarse puentes con luces de 400 m construidos por voladizos sucesivos con dovelas atirantadas de forma provisional. Por debajo de 50 m de luz tampoco es muy corriente. A partir de los 200-300 m, se entra en competencia con los puentes atirantados. El rango de luces habitual para dovelas “in situ” es de 125 a 175 m, mientras que para las prefabricadas es algo menor, de 60 a 130 m.

CONCLUSIONES

Realizado el estudio de los puentes en voladizo sucesivo, se presentan las consideraciones siguientes: 1. Para este tipo de puentes el rango aconsejable de luces es entre 50m y 250m. ya que, fuera de ese rango, no resultan eficientes, en virtud que las

relaciones estudiadas en los tramos inferiores a 50m y de 250m a 301m, no se genera la curvatura estudiada, y eso lleva a valores no óptimos de H y h. 2. En el estudio del sistema hormigonado “in Situ” con el respectivo uso de carros de avance, se encontró que la utilización de las dovelas prefabricadas para viaductos de grandes luces, podía llegar a ser una solución más eficaz, pues permite rendimientos más altos, en comparación con los del proceso de hormigonado “in Situ”. 3. Una diferencia importante entre dovelas prefabricadas, e “in situ” es el hecho de que en el caso de dovelas prefabricadas se independiza la fabricación del tablero y la ejecución del resto de la estructura. De este modo, al mismo tiempo que se están fabricando dovelas se pueden ir construyendo las pilas. 4. La disminución en mano de obra al realizar los puentes en voladizos sucesivo mediante dovelas prefabricadas es considerable, pues este sistema lleva a plazos de culminación hasta en la mitad de tiempo que en sistemas hormigonados “in Situ”. Factor que es importante en los costos asociados a la construcción de una obra, 5. Existen

enormes

beneficios

en

la

aplicación

de

hormigones

pre-tensado, ya que es utilizado para superar la debilidad natural del hormigón frente a esfuerzos de tracción, lo que evita la fisuración excesiva que se produce en el hormigón armado.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS “Introducción a la técnica de construcción de puentes por voladizos sucesivos” Blog: Universidad Politécnica de Valencia. España. Disponible en: https://victoryepes.blogs.upv.es/2017/09/28/voladizos-sucesivos/ Manterola, Javier. “Evolución de los Puentes en la Historia Reciente”. Conferencia en la Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. España. Abril 10, 1984. Material PDF. Pascual, R. y colaboradores. “Evolución de los parámetros geométricos de diseño en puentes construidos con voladizos sucesivos in situ”. Universidad EAFIT, Colombia. Diciembre 30, 2016. Material PDF. Perdomo, M. “Estudio Comparativo de Puentes Construidos por Voladizos Sucesivos”. Universidad Politécnica de Catalunya. Trabajo Especial de Grado. Barcelona – España. Año 2001. Material PDF.