por William A. Read Espaillat
Elementos que conforman un puente
Llamamos puente a toda construcción cuya finalidad es salvar un vano. A un puente lo definimos con mas detalle con calificativos apropiados; en la vida civil un nombre , una localización, un uso, etc son medios para identificar la obra de que se trata. En ingenierÃa civil los puentes también reciben calificativos diversos; la denominación técnica correcta para un puente debe ser
1. por el uso de la vÃa superior,
2. por el material usado para construÃrlo y
3. por el sistema estático utilizado;
en ese orden. Aplicando esta regla fundamental en la descripción de un puente no hay lugar para ambigüedades, por ej. “puente de ferrocarril de hormigón armado en arco”, “puente carretero de acero de cables diagonales” y “puente tubo de acero y hormigón armado, colgante”, etc. Obsérvese que la vÃa inferior, que puede ser una calle, un rÃo, una vÃa ferrea o sencillamente un valle, no ofrecen absolutamente nada a la descripción de un puente como entidad de la ingenierÃa civil.
En el esquema podemos ver las partes que constituyen un puente. Globalmente constan de infraestructura y supraestructura; entre éstas existen generalmente los llamados cuerpos de apoyo.
La infraestructura está formada por varios elementos denominados pilas y estribos. Cada uno de estos elementos posee a su vez un cuerpo de fundación, que puede ser de distinta especie de acuerdo a la profundidad a que se encuentre el estrato de suelo adecuado para recibir las cargas provenientes del conjunto. En el esquema anterior pueden verse los tres tipos fundamentales de fundación: la fundación directa o por zapata, la fundación semi-profunda por cajones y la fundación profunda por pilotes. Los pilotes pueden ser o bien hincados o bien barrenados y vaciados in situ. El estrato resistente sugiere el tipo de fundación adecuado a cada caso. Un diseño bien terminado debe mostrar gráficamente el perfil estratigráfico, resultado de los estudios geotécnicos, al lado y/o debajo de cada elemento de fundación.
La vÃa superior queda definida por la rasante y por la sección transversal de la vÃa. Estos elementos corresponden a la directriz y a la generatriz de una superficie reglada donde se define el aspecto fÃsico de la superficie superior de la supraestructura. La rasante es tangente al eje del pavimento o a algún otro punto de la sección transversal previamente convenido. En un puente bien concebido, el espesor del pavimento debe ser constante y rebajando este espesor a la altura de la rasante se obtiene una sub-rasante denominada B.S. o borde superior de la supraestructura. Deben indicarse en un plano general bien hecho, los parámetros referentes a la rasante, su pendiente y sus curvaturas horizontal y vertical.
La parte de la vÃa superior a ambos lados de la supraestructura en sentido longitudinal, es generalmente una obra de tierra o terraplén al que se le llama rampa de aproximación. La obra de tierra queda soportada lateralmente en su extremo por el muro frontal del estribo y en ambas orillas del camino por los muros de alas del estribo. Se evita que el relleno tenga contacto con la supraestructura disponiendo un muro de poco espesor en la parte superior del muro frontal llamado muro de junta de calzada. Normalmente el muro junta de calzada comienza en la cota inferior de los cuerpos de apoyo y termina en el borde superior del pavimento.
La junta de calzada es un elemento lineal de longitud no menor que el ancho de la vÃa superior. Este elemento debe poder soportar los movimientos propios de la estructura superior, principalmente debidos a cambios de temperatura uniforme del dÃa a la noche y por los cambios de estación. Su construcción - y también su precio- depende de la magnitud del movimiento de la junta, asà como también de carga de tráfico que ha de soportar la junta y el tipo del tráfico mismo. Las juntas de calzada pueden ser desde muy sencillas (hasta la ausencia de las mismas) hasta muy sofisticadas con estanqueidad garantizda por tensión previa de elementos elastómeros contenidos en el aparato.
La supraestructura está limitada superiormente por el B.S. de la subrasante bajo el espesor del pavimento y el B.I. o borde inferior de misma. La diferencia (B.S. – B.I.) de estas dos cotas se conoce como altura constructiva de la supraestructura; esta altura puede se variable –p. ej. puentes en arco- o bien constante –p.ej. puentes de vigas. En dirección longitudinal los lÃmites los fijan las juntas de calzada ya descritas mas arriba. La distancia entre centros de juntas de calzada define la longitud de la supraestructura.
El huelgo de la vÃa inferior está casi siempre condicionado por el gálibo necesario para esa vÃa. La distancia horizontal libre entre elementos de la infraestructura se denomina luz libre, en contraposición a la luz teórica que determina los parámetros para el diseño estructural de la supraestructura. La altura libre entre el B.I de la supraestructura y la vÃa inferior se denomina puntal. Las luces teóricas se definen mediante ejes, casi siempre numerados –en base cero- en sentido ascendente del estacionamiento de la vÃa superior.
Las pilas son elementos de infraestructura que soportan principalmente cargas verticales. Las pilas pueden ser de tipo muy variado; su diseño está condicionado -casi siempre- por el uso de la vÃa inferior y por su altura. La pila de la Fig.1.1 de mas arriba corresponde a un puente cuya vÃa inferior es una autopista y debe diseñarse, no sólo para las cargas que provienen de la supraestructura, sino también para el choque accidental de un vehÃculo que haya perdido el control en la vÃa inferior. Una pila dentro del cauce de un rÃo con un caudal apreciable o con buena velocidad, deberá diseñarse hidráulicamente para hacer mÃnimos los empujes hidráulicos y disminuÃr el peligro de socavación de la fundación. Asimismo las pilas altas y muy altas están expuestas a la presión de viento de manera muy especial.
Se llama longitud del puente a la distancia medida desde punta a punta de los muros de alas de los estribos. Antiguamente los puentes determinaban puntos obligados en el diseño de la vÃa superior; en el caso de una carretera, se buscaba hasta hace poco, que los cruces fueran ortogonales en planta y horizontales en elevación; con el avance en la técnica del diseño y construcción de puentes, la rasante óptima –aparte de condicionantes geotécnicas y económicas- es quien gobierna el problema. Un puente plano, horizontal y cuadrado es un elemento estéticamente ofensivo al que los iniciados en los conocimientos de la belleza arquitectónica rechazan, con pocas excepciones, por su “aspecto de tabla”.
La sección transversal de la vÃa superior varÃa con los requerimientos de ésta; debe acomodar el gálibo necesario, asà como obras de defensa, paseos o caminos de inspección o mantenimiento y conducciones auxiliares que también necesiten salvar el vano: agua potable, energÃa eléctrica, cables de comunicación, iluminación, desagües pluviales, conducción de aguas servidas y otros.
La planta de los puentes puede tener forma variada. En el pasado los puentes eran todos rectos y el cruce del vano se hacÃa ortogonalmente al mismo. El encarecimiento del las tierras y el mejoramiento del trazado de las vÃas por aumento en la demanda de uso de las mismas, ha provocado que se ajusten los trazados a las condiciones óptimas de posibles incidencias en la lÃnea. Asà resultan cruces que difieren del cruce ortogonal. Se denomina oblicuidad al diferencial con 90 del ángulo de cruce de la rasante de la vÃa superior con la inferior. La oblicuidad puede ser a la derecha o a la izquierda.
En la Fig.1.3 puede verse un puente de autopista curvo en planta. Este viaducto salva un pantano a orillas de un tempestuoso rÃo; las infraestructuras están fundadas sobre pilotes y el ángulo de cruce con el vano es por tanto variable. Las pilas se mantuvieron paralelas para dejar pasar las crecientes estacionales con su dirección de corrientes adecuada. El diseño utiliza vigas prefabricadas de hormigón pretensado de 30 m de longitud, por lo que la distancia perpendicular entre pilas es variable. La pendiente longitudinal provoca una disminución paulatina de la altura de las pilas. El viaducto debió prolongarse hasta que las condiciones de resistencia del suelo del pantano fueron suficientes para soportar el peso del relleno. La supraestructura termina en un estribo oblÃcuo, aunque comienza en una pila ortogonal. El obstáculo que salva este puente es un humedal con baja capacidad de soporte en su superficie.
Clasificación Según Uso, Material y Forma de la Sección Transversal
El uso de un puente lo detrmina la vÃa superior. Por tanto podemos mencionar tantas clases de puentes como usos de la vÃa superior podamos imaginarnos, en esencia:
* puente peatonal
* puente de carretera
* puente de ferrocarril
* puente canal
* puente tubo
Por los peatonales circulan también cochecitos de niños o de golf, por los de carreteras circulan además vehÃculos con tracción animal; modernamente los monorrieles circulan sobre una viga única que vale como puente de carretera; por los puentes de ferrocarril pueden circular otros vehÃculos sobre rieles, tranvÃas, etc.; por los puentes canales puede circular el agua propiamente dicha –caso del flume para regadÃo agrÃcola o alimentador de turbina- o pueden ser navegables por embarcaciones adecuadas (navegación de rÃos); en la categorÃa del puente tubo cabe también el puente que lleva otras conducciones (cables eléctricos o de comunicaciones).
Según el material un puente puede clasificarse primeramente en dos categorÃas: masizo y de metal. Los puentes masizos pueden ser a su vez de
* mamposterÃa de piedra o de ladrillo
* hormigón simple
* hormigón armado
* hormigón pretensado
La categorÃa de los puentes de metal se aplica hoy a los puentes de acero. Los puentes de aleaciones ligeras tienen usos prácticos limitados a pocos casos (puentes móviles en aeropuertos, etc). Los puentes metálicos pueden ser entonces
* reticulares o de alma calada
* alma llena
Según la forma de la sección transversal se pueden considerar varias clasificaciones. Va perdiendo actualidad la clasificación según la posición de la vÃa con relación a la estructura:
* con vÃa superior
* con vÃa inferior
* con vÃa intermedia
La necesidad de puentes cada vez mas anchos conduce a diseñar puentes de vÃa superior con mayor frecuencia. Si la estructura principal es de vigas, existe la posibilidad de usar tantas vigas como fueren necesarias para soportar las cargas. Los puentes con vÃa inferior se usaban para ganar puntal para la vÃa inferior en puentes estrechos, pero al aumentar la anchura, las vigas transversales requeridas volvÃan a consumir espacio y el puntal volvÃa a reducirse. De ahà nació el puente con vÃa intermedia que esconde las necesidades de altura útil en dirección transversal entre las vigas principales.
La clasificación mas actual correlaciona la sección transversal con su posibilidad de obtener un cierto rango de luces de manera eficiente y económica. Veamos
* puentes de losas
* puentes de vigas
* puentes aporticados
* puentes en arco
* puentes atirantados y colgantes
Los puentes de losas son producto de la tecnologÃa de la segunda mitad del Siglo XX. El análisis de losas con cargas concentradas por evaluación de campos de influencia producidos por el método de las singuaridades o por el método de elementos finitos ha hecho posible la preparación de tablas para obtener el efecto de este tipo de solicitación. Esto permite construÃr puentes cortos y anchos con un peralte mÃnimo y una belleza y sencillez tales que los hace (también económicamente) invencibles en el rango de luces de 10 a 12 m.. Utilizando cuerpos huecos en dirección del tendido, se puede reducir el peso propio de la losa; esta losa anisótropa permite alargar la luz hasta unos 16 a 18 m. y usando tensión previa, el puente de losas anisótropo, alcanza luces de hasta 24 m sin grandes dificultades.
La figura de mas arriba presenta un puente vehicular de hormigón armado con estructura de losa de 13.5 m de luz; está tendido sobre un canal navegable de una marina turÃstica.
La figura siguiente muestra la seción tÃpica de un puente de losa.
Los puentes de vigas macizas nacen con el hormigón armado. Los métodos primitivos para el cálculo de las losas de tablero con cargas concetradas eran muy conservadores, por lo que los puentes tenÃan numerosas vigas, con poca distancia entre ellas, por la imprecisión en el cálculo de losas. Se añadÃan también algunas vigas transversales o diafragmas, para mantener la rigidez de la sección y poder distribuÃr las cargas transversalmente de manera lineal, por considerar entonces la sección ideformable.
El resultado era un puente entramado con vigas longitudinales y transversales. Estos puentes resultan hoy antieconómicos si se construyen en sitio, por la gran cantidad de superficie encofrada por metro cúbico de hormigón vaciado. Construyendo las vigas en taller se mejora esta condición y se siguen construyendo puentes de este tipo con vigas prefabricadas, generalmente de hormigón pretensado. Las administraciones de los Estados poseen planos de puentes estandarizados de este tipo con los que resuelven de manera expedita algunos problemas de comunicación vial. El criterio utilitario se impone a lo racional de producir el puente que el vano realmente necesita, ajustado a las condiciones de estética y a las exigencias del vano y de la vÃa inferior. ¡Cuantos puentes no se habrán sembrado bajo el principio del Lecho de Precrustres en todas partes del mundo!
Si un puente de vigas puede vaciarse en sitio, utilizando la teorÃa elástica para el cálculo de sus losas se pueden alcanzar de 4 a 5 m. de luz para las losas en dirección transversal; si se disponen cables de pretensar en dirección transversal, se puede llegar cómodamente a luces de 7 a 8 m. Esto significa que con dos vigas longitudinales, dos vuelos y una losa trnasversal se puede resolver la sección transversal de un puente de unos 10 m de ancho en hormigón con armadura pasiva transversal; utilizando tensión previa en dirección transversal se pueden construÃr secciones transversales de 16-17 metros con gran economÃa de material.
Los puentes de vigas de este segundo tipo poseen vigas transversales en los extremos de las luces por lo general. Aveces se dispone de una viga transversal en el centro del tramo de cada luz, para mejorar el comportamiento de la distribución transversal de cargas. El análisis “exacto” indica que viguetas transversales adicionales no mejoran, en lo esencial, el comportamiento estructural del conjunto. Además, si la losa de pavimento es pretensada en dirección transversal, las viguetas transversales frenan el efecto de la tensión previa, introduciendo perturbaciones al estado de tensiones ideal. Muchas veces, la única viga transversal de tramo se construye separada de la losa, y asà se uniformiza el comportamiento de ésta última. Para hormigonar este tipo de diafragma se retira provisionalmente el forro del encofrado inmediatamente encima de la viga transversal y termiado el vaciado se vuelve a colocar el encofrado de la losa en su lugar .
Además, estos puentes resultan muy flexibles en lo referente al diseño, se adaptan bien para construÃr puentes con vigas contÃnuas, puentes sobre vanos con curvatura vertical prevista, puentes con curva vertical en planta y puentes oblÃcuos rectos y curvos; para puentes curvos, puentes oblicuos rectos o curvos, se adiciona una losa inferior a los puentes de vigas, convirtiéndolo en un puente de perfil de cajón. El perfil de cajón aventaja a otros perfiles por su gran rigidez a la torsión pura o de Saint Venant. De esta manera se resisten de manera clara y precisa las fuerzas interiores que aparecen en puentes curvos y en puentes oblicuos.
Como extensión a los puentes de vigas nacieron los puentes aporticados. Las estructuras aporticadas aprovechan mejor el material, disminuyendo los valores de los momentos fexores absolutos por desplazamiento de la linea de cierre de los diagramas de momento, repartiendo los momentos mejor hacia arriba y hacia abajo de la lÃnea de cero ordenada. Su aplicación en puentes, se limita generalmente a luces medianas. Al eliminar cuerpos de apoyo caros –una ventaja indudable de las estructuras aporticadas- se adquiere la necesidad de soportar las fuerzas debidas retracción de fraguado y cambios de temperatura ineherntes a ese sistema estático.
Actualmente se utilizan frecuentemente sistemas aporticados en pasos a desnivel sobre carreteras o autopistas; p. ej. El puente de la Fig.1.1 pudiera construÃrse la pila central monolÃticamente conectada a la supraestructura; su posición en el eje de simetrÃa la hace insensible a los cambios de temperatura.
Otro sistema estático aporticado muy socorrido en los puentes viales es el pórtico retroanclado, también en pasos a desnivel. Su aspecto ligero y elegante lo distingue de los demás. Si la fundación es buena puede prescindirse del retroanclado y se produce también un estructura de gran belleza, veamos:
El puente aporticado de la figura tiene una longitud total de 95 m con una luz central de 46 m ; el desplome de los pies derechos permite abrir el gálibo de la vÃa inferior unos 3 m adicionales, ganando principalmente compresión en el tramo central del dintel. El puente resulta algo mas largo al presentarse una oblicuidad forzada de 35 grados con la vÃa inferior. Pueden observarse 4 pórticos longitudinales para un puente de 19.80 m de acho entre barandillas. Este puente es de hormigón pretensado longitudinal- y transversalmente y la losa de pavimento ha sido analizada por la teorÃa de losas elásticas.
Siguen en la clasificación los puentes en arco: aprovechando las cualidades del hormigón armado se pueden diseñar puentes en arco de gran belleza y de luces considerables. Claro está que un puente en arco va a exigir poder soportar los empujes que genera el arco puro; a diferencia del arco impuro o atirantado –como también se le llama- que exige un tirante que convierte el arco prácticamente en una tijerilla. Con esa medida se descarga al terreno de la responsabilidad de soportar los empujes del arco. En otras palabras, la concepción de un puente en arco debe partir de las premisas siguientes:
* el vano es una hondanada profunda, y
* el suelo de fundación es duro (roca sana).
En la figura siguiente aparece un puente en arco puro tendido sobre una garganta profunda con una longitud total de puente de unos 420 m con una luz del arco principal de 130 m y una flecha de 26 m.
El ancho de la sección transversal es de 33 m entre barandillas. La directriz del arco es una parábola de 2do grado. En los arcos grandes deberá considerarse el efecto del acortamiento del arco por causa de las fuerzas axiales; este acortamiento trae consigo una flecha vertical pequeña que se multiplica por el empuje y produce momentos secundarios desfavorables al comportamiento del arco. Este arco posee articulaciones en los arranques y en la coronación; se trata de un arco triarticulado. Las articulaciones son de hormigón armado. La losa superior está apoyada –sin vigas- directamente sobre apoyos pendulares, es decir son barras articuladas arriba y abajo que permiten la dilatación de la losa de la coronación hacia los estribos.
Los arcos pueden también ser oblÃcuos si el cruce de las vÃas asà lo exige; también existen los arcos inclinados y los arcos disimétricos; el arco es inclinado cuando la linea de los arranques –lÃnea que une ambos arranques- no es horizontal (casi siempre pequeña pendiente) y el arco es disimétrico si la distancia de un arranque a la coronación es diferente de la distancia de la coronación al otro arranque. Es un caso poco común, el llamado “Puente Piccasso” u otro nombre distintivo para ese tipo de arco.
El arco atirantado o falso arco cae en la categorÃa de puentes atirantados; con ellos se elimina la necesidad de tener que soportar el empuje en la fundación, por lo que las luces que pueden alcanzarse son muy superiores a los de los arcos puros. Por lo general, los arcos atirantados son de vÃa inferior y se prestan mas para resolver un vano de gran luz que para salvar una hondonada profunda; son generalmente de vÃa inferior y el tirante está integrado a la estructura que soporta la losa de pavimento. Su aspecto de tijerilla en arco le concede un aspecto de puente "clásico", como los que se usaron en Europa durante el desarrollo del ferrocarril.
Los puentes colgantes se conocen desde hace muchos años. Con el perfeccionamiento de las estructuras de acero se desarrollaron vistosos puentes colgantes en todo el mundo, muy en especial en los Estados Unidos, donde existen puentes colgantes de luces extraordinarias. La “Puerta Dorada” en California tiene una luz principal de una milla y atraviesa la BahÃa de San Francisco. Los puentes colgantes son en realidad una variante del puente de arco; son arcos invertidos en donde la lÃnea de presiones del arco se cambia por el funicular de las cargas del sistema. Los puentes colgantes pueden construÃrse con grandes luces, ayudados por la consideración del alargamiento del cable funicular, que en oposición a lo que sucede en el arco, provoca fuerzas secundarias de sentido opuesto a las fuerzas interiores que reporta la teorÃa clásica lineal del análisis de estructuras.
Un punto muy importante en el desarrollo de los puentes colgantes y atirantados es el empleo de aceros de alta resistencia para los cables funiculares. Sin este desarrollo tecnológico, no hubiera sido posible construÃr los puentes colgantes de hoy; del mismo modo que la misma tecnologÃa sirvió para el desarrollo del hormigón pretensado en Francia y Alemania en el primer tercio del Siglo XX. En varias partes del mundo se llevaron a cabo investigaciones para producir aceros de alta resistencia, aunque fuera al costo de reducir la ductilidad. El estirado en frÃo demostró ser la primera y mas expedita vÃa para llegar a las resistencias buscadas. La producción de cables compuestos de hilos múltiples de alta resistencia permitió construÃr los primeros puentes colgantes modernos. En los Estados Unidos la Casa Roebling y la U.S. Steel se dieron a conocer por sus cables de alta resistencia y sus terminales de anclajes; en Europa hicieron lo mismo Felten & Guilleaume y la Casa Krupp de Alemania.
El deseo de producir barras de mayor diámetro no cesó y se desarrollaron tecnologÃas en base a tratamientos térmicos del acero para elevarle la resistencia. Diferentes procesos de templado hacen posible este logro. El móvil del deseo era elevar la rigidez de los cables de múltiples hilos, que adolecen del “resbalamiento de reacomodo”, es decir que un cable nuevo debe tesarse inicialmente a su tensión de trabajo, varias veces, para provocar el reacomodo de las múltiples fibras del mismo. Aun asà el módulo elástico aparente de los cables es menor que el de las barras; algo asà como un 15% menor.
El acero de alta calidad en barras de mayor diámetro hizo posible el desarrollo de sistemas de anclaje mejorados para su uso en hormigón pretensado. La Alemania de post-guerra recontruyó casi todos sus puentes en hormigón pretensado; el perfeccionamiento del H.P. con Adherencia Posterior (="post-tesado") dió origen al aprovechamiento de ese material en formas que hasta entonces no habÃa podido alcanzar el material: la continuidad y el monolitismo no habÃan podido asociarse al material. El post-tesado e inyección posterior con mortero permite la colocación de cables con trayectorias acomodadas a las necesidades estáticas del sistema, sin desperdicios ni faltas.
También se desarrollaron los puentes de cables diagonales, siguiendo el prototipo del puente en Severin, cerca de Hamburgo, construÃdo a principios de los 60 del pasado Siglo XX. En los años subsiguientes se construyeron puentes de este tipo en casi todos los paÃses del mundo, prácticamente desplazando los puentes colgantes de su trono.
En la figura de mas arriba puede verse un puente de autopista, sobre la desembocadura de un rÃo, de cables diagonales de 210 m. de luz central con un ancho de 35 m aprox. Las torres tienen una altura total de 70 m. y la fundación es de tipo profundo, sobre pilotes. Las vigas transversales son de hormigón pretensdo con adherencia posterior; las viguetas longitudinales soportan la losa de pavimento son también pretensadas, fabricadas en taller y montadas en el sitio.
Cargas de diseño
Para todos los puentes vale la clasificación de las cargas de diseño siguiente:
* cargas principales
* cargas suplementarias y
* cargas extraordinarias.
Las cargas principales son aquellas que actúan siempre, o sea las cargas permanentes, y las cargas móviles que son objeto del diseño del puente; coacciones por cedimientos previsibles se consideran cargas permanentes, y por tanto cargas principales.
Las cargas suplementarias son aquellas que aparecen como consecuencia de la presencia fÃsica del puente en el medio ambiente: cambios de temperatura, viento, sismo, frenado- arranque, fricción en los cuerpos de apoyo; las coacciones por cedimientos imprevistos caben en esta clasificación.
Las cargas extraordinarias, también llamadas cargas especiales, son cargas que operan temporalmente –digamos durante la construcción del puente-, como cargas por el manejo de piezas prefabricadas, o cargas que consideran el efecto de una grúa necesaria durante la construcción, andamiajes y cualesquiera solicitaciones que no quepan dentro de las categorÃas anteriores. Cuando aparecieron los vehÃculos automóviles apareció también el rodillo compactador en su primera versión, llamado comúnmente aplanadora. Este vehÃculo se usaba entonces para el diseño de los puentes como carga móvil de diseño.
Una observación interesante es la consideración de los asentamientos de apoyo en las categorÃas de principal (si es previsible) y de suplementaria (si no es previsible). Los puentes contÃnuos se diseñan para soportar pequeños asentamientos de apoyo de manera permanente. Si los asentamientos reales llegan a un lÃmite predeterminado –generalmente 1 cm, p.ej.- se corrige el asentamiento en la mitad, levantando la supraestructura con gatos hidráulicos e introduciendo cuñas entre la supraestructura y los cuerpos de apoyo. Se introducen en el diseño entonces 0.5 cm de asentamiento de apoyo previsible como carga permanenete y 0.5 cm como imprevisible o carga suplementaria. Esto es asà porque para casos de carga suplementarios se admiten esfuerzos algo mayores que para casos de carga principales.
Obsérvese entonces que para construÃr puentes contÃnuos en terrenos blandos es necesario contar con un buen servicio de mantenimiento, que tome lecturas de cotas en las pilas regularmente. En caso de asentamientos excesivos se deben corregir éstos.
Cargas de Diseño para Puentes de Carreteras
En la actualidad las normas mas usuales para puentes de carretera son las normas europeas (derivadas esencialmente de la norma DIN 1072 de Alemania) y las normas norteamericanas, conocidas tambien como normas AASHTO.
Las primeras están expresadas en unidades métricas; las segundas, en el sistema inglés de medidas. Localmente, la mayorÃa de los paÃses usa éstas normas, o bien normas derivadas de éstas, ajustadas a condiciones o necesidades locales. Es muy común ver normas de diseño de puentes análogas a las norteamericanas, traducidas al sistema métrico, por ejemplo.
Entre ambas normas hay algunas diferencias de camino para llegar a la meta; algunas explicaciones de los elementos fundamentales de la norma, pueden ayudar a orientarnos en la aplicación correcta de las prescripciones.
La norma europea define primeramente los conceptos carril principal y carril secundario como se indica en la Fig.1.10:
El carril principal es una franja de 3 metros de ancho por el que circulan cargas móviles; no tiene que ser paralelo al eje del puente e incluso puede ser ligeramente curvo si fuere necesario. El carril principal contiene el camión de diseño que mide 6 metros de largo. El camión de diseño puede ser de tres tipos
* camión pesado (con 3 ejes y 6 ruedas)
* camión (con 2 ejes y 4 ruedas)
* remolque o eje único (con 1 eje y 2 ruedas)
El carril secundario es la superficie restante de la supraestructura, limitada a ambos lados por las barandillas del puente.
Estos conceptos valen también para los extremos del puente fuera de la supraestructura, p. ej. para determinar empujes de tierra sobre los estribos, y otros elementos.
Los vehÃculos de diseño, como puede observarse su dimensión de 6.00 x 3.00 m, no son vehÃculos determinados que existen en la realidad: son vehÃculos ficticios que representan una envolvente algo desfavorable de los muchos vehÃculos diferentes que pudieran circular por un puente.
Las dimensiones de los diferentes elementos que actúan en el diseño pueden verse en la siguiente Fig. 1.11 . La Tabla 1.1 compila las dimensiones de cada tipo de vehÃculo y la Tabla 1.2 contiene los parámetros de cargas que corresponden a las diferentes clases.
Elementos que conforman un puente
Llamamos puente a toda construcción cuya finalidad es salvar un vano. A un puente lo definimos con mas detalle con calificativos apropiados; en la vida civil un nombre , una localización, un uso, etc son medios para identificar la obra de que se trata. En ingenierÃa civil los puentes también reciben calificativos diversos; la denominación técnica correcta para un puente debe ser
1. por el uso de la vÃa superior,
2. por el material usado para construÃrlo y
3. por el sistema estático utilizado;
en ese orden. Aplicando esta regla fundamental en la descripción de un puente no hay lugar para ambigüedades, por ej. “puente de ferrocarril de hormigón armado en arco”, “puente carretero de acero de cables diagonales” y “puente tubo de acero y hormigón armado, colgante”, etc. Obsérvese que la vÃa inferior, que puede ser una calle, un rÃo, una vÃa ferrea o sencillamente un valle, no ofrecen absolutamente nada a la descripción de un puente como entidad de la ingenierÃa civil.
Fig.1.1 Esquema de puente
En el esquema podemos ver las partes que constituyen un puente. Globalmente constan de infraestructura y supraestructura; entre éstas existen generalmente los llamados cuerpos de apoyo.
La infraestructura está formada por varios elementos denominados pilas y estribos. Cada uno de estos elementos posee a su vez un cuerpo de fundación, que puede ser de distinta especie de acuerdo a la profundidad a que se encuentre el estrato de suelo adecuado para recibir las cargas provenientes del conjunto. En el esquema anterior pueden verse los tres tipos fundamentales de fundación: la fundación directa o por zapata, la fundación semi-profunda por cajones y la fundación profunda por pilotes. Los pilotes pueden ser o bien hincados o bien barrenados y vaciados in situ. El estrato resistente sugiere el tipo de fundación adecuado a cada caso. Un diseño bien terminado debe mostrar gráficamente el perfil estratigráfico, resultado de los estudios geotécnicos, al lado y/o debajo de cada elemento de fundación.
La vÃa superior queda definida por la rasante y por la sección transversal de la vÃa. Estos elementos corresponden a la directriz y a la generatriz de una superficie reglada donde se define el aspecto fÃsico de la superficie superior de la supraestructura. La rasante es tangente al eje del pavimento o a algún otro punto de la sección transversal previamente convenido. En un puente bien concebido, el espesor del pavimento debe ser constante y rebajando este espesor a la altura de la rasante se obtiene una sub-rasante denominada B.S. o borde superior de la supraestructura. Deben indicarse en un plano general bien hecho, los parámetros referentes a la rasante, su pendiente y sus curvaturas horizontal y vertical.
La parte de la vÃa superior a ambos lados de la supraestructura en sentido longitudinal, es generalmente una obra de tierra o terraplén al que se le llama rampa de aproximación. La obra de tierra queda soportada lateralmente en su extremo por el muro frontal del estribo y en ambas orillas del camino por los muros de alas del estribo. Se evita que el relleno tenga contacto con la supraestructura disponiendo un muro de poco espesor en la parte superior del muro frontal llamado muro de junta de calzada. Normalmente el muro junta de calzada comienza en la cota inferior de los cuerpos de apoyo y termina en el borde superior del pavimento.
La junta de calzada es un elemento lineal de longitud no menor que el ancho de la vÃa superior. Este elemento debe poder soportar los movimientos propios de la estructura superior, principalmente debidos a cambios de temperatura uniforme del dÃa a la noche y por los cambios de estación. Su construcción - y también su precio- depende de la magnitud del movimiento de la junta, asà como también de carga de tráfico que ha de soportar la junta y el tipo del tráfico mismo. Las juntas de calzada pueden ser desde muy sencillas (hasta la ausencia de las mismas) hasta muy sofisticadas con estanqueidad garantizda por tensión previa de elementos elastómeros contenidos en el aparato.
La supraestructura está limitada superiormente por el B.S. de la subrasante bajo el espesor del pavimento y el B.I. o borde inferior de misma. La diferencia (B.S. – B.I.) de estas dos cotas se conoce como altura constructiva de la supraestructura; esta altura puede se variable –p. ej. puentes en arco- o bien constante –p.ej. puentes de vigas. En dirección longitudinal los lÃmites los fijan las juntas de calzada ya descritas mas arriba. La distancia entre centros de juntas de calzada define la longitud de la supraestructura.
El huelgo de la vÃa inferior está casi siempre condicionado por el gálibo necesario para esa vÃa. La distancia horizontal libre entre elementos de la infraestructura se denomina luz libre, en contraposición a la luz teórica que determina los parámetros para el diseño estructural de la supraestructura. La altura libre entre el B.I de la supraestructura y la vÃa inferior se denomina puntal. Las luces teóricas se definen mediante ejes, casi siempre numerados –en base cero- en sentido ascendente del estacionamiento de la vÃa superior.
Las pilas son elementos de infraestructura que soportan principalmente cargas verticales. Las pilas pueden ser de tipo muy variado; su diseño está condicionado -casi siempre- por el uso de la vÃa inferior y por su altura. La pila de la Fig.1.1 de mas arriba corresponde a un puente cuya vÃa inferior es una autopista y debe diseñarse, no sólo para las cargas que provienen de la supraestructura, sino también para el choque accidental de un vehÃculo que haya perdido el control en la vÃa inferior. Una pila dentro del cauce de un rÃo con un caudal apreciable o con buena velocidad, deberá diseñarse hidráulicamente para hacer mÃnimos los empujes hidráulicos y disminuÃr el peligro de socavación de la fundación. Asimismo las pilas altas y muy altas están expuestas a la presión de viento de manera muy especial.
Se llama longitud del puente a la distancia medida desde punta a punta de los muros de alas de los estribos. Antiguamente los puentes determinaban puntos obligados en el diseño de la vÃa superior; en el caso de una carretera, se buscaba hasta hace poco, que los cruces fueran ortogonales en planta y horizontales en elevación; con el avance en la técnica del diseño y construcción de puentes, la rasante óptima –aparte de condicionantes geotécnicas y económicas- es quien gobierna el problema. Un puente plano, horizontal y cuadrado es un elemento estéticamente ofensivo al que los iniciados en los conocimientos de la belleza arquitectónica rechazan, con pocas excepciones, por su “aspecto de tabla”.
Fig.1.2-Sección puente autopista
La sección transversal de la vÃa superior varÃa con los requerimientos de ésta; debe acomodar el gálibo necesario, asà como obras de defensa, paseos o caminos de inspección o mantenimiento y conducciones auxiliares que también necesiten salvar el vano: agua potable, energÃa eléctrica, cables de comunicación, iluminación, desagües pluviales, conducción de aguas servidas y otros.
La planta de los puentes puede tener forma variada. En el pasado los puentes eran todos rectos y el cruce del vano se hacÃa ortogonalmente al mismo. El encarecimiento del las tierras y el mejoramiento del trazado de las vÃas por aumento en la demanda de uso de las mismas, ha provocado que se ajusten los trazados a las condiciones óptimas de posibles incidencias en la lÃnea. Asà resultan cruces que difieren del cruce ortogonal. Se denomina oblicuidad al diferencial con 90 del ángulo de cruce de la rasante de la vÃa superior con la inferior. La oblicuidad puede ser a la derecha o a la izquierda.
Fig.1.3 Puente curvo en planta
En la Fig.1.3 puede verse un puente de autopista curvo en planta. Este viaducto salva un pantano a orillas de un tempestuoso rÃo; las infraestructuras están fundadas sobre pilotes y el ángulo de cruce con el vano es por tanto variable. Las pilas se mantuvieron paralelas para dejar pasar las crecientes estacionales con su dirección de corrientes adecuada. El diseño utiliza vigas prefabricadas de hormigón pretensado de 30 m de longitud, por lo que la distancia perpendicular entre pilas es variable. La pendiente longitudinal provoca una disminución paulatina de la altura de las pilas. El viaducto debió prolongarse hasta que las condiciones de resistencia del suelo del pantano fueron suficientes para soportar el peso del relleno. La supraestructura termina en un estribo oblÃcuo, aunque comienza en una pila ortogonal. El obstáculo que salva este puente es un humedal con baja capacidad de soporte en su superficie.
Clasificación Según Uso, Material y Forma de la Sección Transversal
El uso de un puente lo detrmina la vÃa superior. Por tanto podemos mencionar tantas clases de puentes como usos de la vÃa superior podamos imaginarnos, en esencia:
* puente peatonal
* puente de carretera
* puente de ferrocarril
* puente canal
* puente tubo
Por los peatonales circulan también cochecitos de niños o de golf, por los de carreteras circulan además vehÃculos con tracción animal; modernamente los monorrieles circulan sobre una viga única que vale como puente de carretera; por los puentes de ferrocarril pueden circular otros vehÃculos sobre rieles, tranvÃas, etc.; por los puentes canales puede circular el agua propiamente dicha –caso del flume para regadÃo agrÃcola o alimentador de turbina- o pueden ser navegables por embarcaciones adecuadas (navegación de rÃos); en la categorÃa del puente tubo cabe también el puente que lleva otras conducciones (cables eléctricos o de comunicaciones).
Según el material un puente puede clasificarse primeramente en dos categorÃas: masizo y de metal. Los puentes masizos pueden ser a su vez de
* mamposterÃa de piedra o de ladrillo
* hormigón simple
* hormigón armado
* hormigón pretensado
La categorÃa de los puentes de metal se aplica hoy a los puentes de acero. Los puentes de aleaciones ligeras tienen usos prácticos limitados a pocos casos (puentes móviles en aeropuertos, etc). Los puentes metálicos pueden ser entonces
* reticulares o de alma calada
* alma llena
Según la forma de la sección transversal se pueden considerar varias clasificaciones. Va perdiendo actualidad la clasificación según la posición de la vÃa con relación a la estructura:
* con vÃa superior
* con vÃa inferior
* con vÃa intermedia
La necesidad de puentes cada vez mas anchos conduce a diseñar puentes de vÃa superior con mayor frecuencia. Si la estructura principal es de vigas, existe la posibilidad de usar tantas vigas como fueren necesarias para soportar las cargas. Los puentes con vÃa inferior se usaban para ganar puntal para la vÃa inferior en puentes estrechos, pero al aumentar la anchura, las vigas transversales requeridas volvÃan a consumir espacio y el puntal volvÃa a reducirse. De ahà nació el puente con vÃa intermedia que esconde las necesidades de altura útil en dirección transversal entre las vigas principales.
La clasificación mas actual correlaciona la sección transversal con su posibilidad de obtener un cierto rango de luces de manera eficiente y económica. Veamos
* puentes de losas
* puentes de vigas
* puentes aporticados
* puentes en arco
* puentes atirantados y colgantes
Los puentes de losas son producto de la tecnologÃa de la segunda mitad del Siglo XX. El análisis de losas con cargas concentradas por evaluación de campos de influencia producidos por el método de las singuaridades o por el método de elementos finitos ha hecho posible la preparación de tablas para obtener el efecto de este tipo de solicitación. Esto permite construÃr puentes cortos y anchos con un peralte mÃnimo y una belleza y sencillez tales que los hace (también económicamente) invencibles en el rango de luces de 10 a 12 m.. Utilizando cuerpos huecos en dirección del tendido, se puede reducir el peso propio de la losa; esta losa anisótropa permite alargar la luz hasta unos 16 a 18 m. y usando tensión previa, el puente de losas anisótropo, alcanza luces de hasta 24 m sin grandes dificultades.
Fig.1.4-Puente de losa
La figura de mas arriba presenta un puente vehicular de hormigón armado con estructura de losa de 13.5 m de luz; está tendido sobre un canal navegable de una marina turÃstica.
La figura siguiente muestra la seción tÃpica de un puente de losa.
Fig 1.5-Sección puente de losa con dos carriles, defensas, aceras y barandillas
Los puentes de vigas macizas nacen con el hormigón armado. Los métodos primitivos para el cálculo de las losas de tablero con cargas concetradas eran muy conservadores, por lo que los puentes tenÃan numerosas vigas, con poca distancia entre ellas, por la imprecisión en el cálculo de losas. Se añadÃan también algunas vigas transversales o diafragmas, para mantener la rigidez de la sección y poder distribuÃr las cargas transversalmente de manera lineal, por considerar entonces la sección ideformable.
Fig.1.6- Momentos distintos al utilizar métodos diferentes
El resultado era un puente entramado con vigas longitudinales y transversales. Estos puentes resultan hoy antieconómicos si se construyen en sitio, por la gran cantidad de superficie encofrada por metro cúbico de hormigón vaciado. Construyendo las vigas en taller se mejora esta condición y se siguen construyendo puentes de este tipo con vigas prefabricadas, generalmente de hormigón pretensado. Las administraciones de los Estados poseen planos de puentes estandarizados de este tipo con los que resuelven de manera expedita algunos problemas de comunicación vial. El criterio utilitario se impone a lo racional de producir el puente que el vano realmente necesita, ajustado a las condiciones de estética y a las exigencias del vano y de la vÃa inferior. ¡Cuantos puentes no se habrán sembrado bajo el principio del Lecho de Precrustres en todas partes del mundo!
Si un puente de vigas puede vaciarse en sitio, utilizando la teorÃa elástica para el cálculo de sus losas se pueden alcanzar de 4 a 5 m. de luz para las losas en dirección transversal; si se disponen cables de pretensar en dirección transversal, se puede llegar cómodamente a luces de 7 a 8 m. Esto significa que con dos vigas longitudinales, dos vuelos y una losa trnasversal se puede resolver la sección transversal de un puente de unos 10 m de ancho en hormigón con armadura pasiva transversal; utilizando tensión previa en dirección transversal se pueden construÃr secciones transversales de 16-17 metros con gran economÃa de material.
Los puentes de vigas de este segundo tipo poseen vigas transversales en los extremos de las luces por lo general. Aveces se dispone de una viga transversal en el centro del tramo de cada luz, para mejorar el comportamiento de la distribución transversal de cargas. El análisis “exacto” indica que viguetas transversales adicionales no mejoran, en lo esencial, el comportamiento estructural del conjunto. Además, si la losa de pavimento es pretensada en dirección transversal, las viguetas transversales frenan el efecto de la tensión previa, introduciendo perturbaciones al estado de tensiones ideal. Muchas veces, la única viga transversal de tramo se construye separada de la losa, y asà se uniformiza el comportamiento de ésta última. Para hormigonar este tipo de diafragma se retira provisionalmente el forro del encofrado inmediatamente encima de la viga transversal y termiado el vaciado se vuelve a colocar el encofrado de la losa en su lugar .
Además, estos puentes resultan muy flexibles en lo referente al diseño, se adaptan bien para construÃr puentes con vigas contÃnuas, puentes sobre vanos con curvatura vertical prevista, puentes con curva vertical en planta y puentes oblÃcuos rectos y curvos; para puentes curvos, puentes oblicuos rectos o curvos, se adiciona una losa inferior a los puentes de vigas, convirtiéndolo en un puente de perfil de cajón. El perfil de cajón aventaja a otros perfiles por su gran rigidez a la torsión pura o de Saint Venant. De esta manera se resisten de manera clara y precisa las fuerzas interiores que aparecen en puentes curvos y en puentes oblicuos.
Como extensión a los puentes de vigas nacieron los puentes aporticados. Las estructuras aporticadas aprovechan mejor el material, disminuyendo los valores de los momentos fexores absolutos por desplazamiento de la linea de cierre de los diagramas de momento, repartiendo los momentos mejor hacia arriba y hacia abajo de la lÃnea de cero ordenada. Su aplicación en puentes, se limita generalmente a luces medianas. Al eliminar cuerpos de apoyo caros –una ventaja indudable de las estructuras aporticadas- se adquiere la necesidad de soportar las fuerzas debidas retracción de fraguado y cambios de temperatura ineherntes a ese sistema estático.
Actualmente se utilizan frecuentemente sistemas aporticados en pasos a desnivel sobre carreteras o autopistas; p. ej. El puente de la Fig.1.1 pudiera construÃrse la pila central monolÃticamente conectada a la supraestructura; su posición en el eje de simetrÃa la hace insensible a los cambios de temperatura.
Otro sistema estático aporticado muy socorrido en los puentes viales es el pórtico retroanclado, también en pasos a desnivel. Su aspecto ligero y elegante lo distingue de los demás. Si la fundación es buena puede prescindirse del retroanclado y se produce también un estructura de gran belleza, veamos:
Fig.1.7- Puente aporticado
El puente aporticado de la figura tiene una longitud total de 95 m con una luz central de 46 m ; el desplome de los pies derechos permite abrir el gálibo de la vÃa inferior unos 3 m adicionales, ganando principalmente compresión en el tramo central del dintel. El puente resulta algo mas largo al presentarse una oblicuidad forzada de 35 grados con la vÃa inferior. Pueden observarse 4 pórticos longitudinales para un puente de 19.80 m de acho entre barandillas. Este puente es de hormigón pretensado longitudinal- y transversalmente y la losa de pavimento ha sido analizada por la teorÃa de losas elásticas.
Siguen en la clasificación los puentes en arco: aprovechando las cualidades del hormigón armado se pueden diseñar puentes en arco de gran belleza y de luces considerables. Claro está que un puente en arco va a exigir poder soportar los empujes que genera el arco puro; a diferencia del arco impuro o atirantado –como también se le llama- que exige un tirante que convierte el arco prácticamente en una tijerilla. Con esa medida se descarga al terreno de la responsabilidad de soportar los empujes del arco. En otras palabras, la concepción de un puente en arco debe partir de las premisas siguientes:
* el vano es una hondanada profunda, y
* el suelo de fundación es duro (roca sana).
En la figura siguiente aparece un puente en arco puro tendido sobre una garganta profunda con una longitud total de puente de unos 420 m con una luz del arco principal de 130 m y una flecha de 26 m.
Fig. 1.8- Puente en arco
El ancho de la sección transversal es de 33 m entre barandillas. La directriz del arco es una parábola de 2do grado. En los arcos grandes deberá considerarse el efecto del acortamiento del arco por causa de las fuerzas axiales; este acortamiento trae consigo una flecha vertical pequeña que se multiplica por el empuje y produce momentos secundarios desfavorables al comportamiento del arco. Este arco posee articulaciones en los arranques y en la coronación; se trata de un arco triarticulado. Las articulaciones son de hormigón armado. La losa superior está apoyada –sin vigas- directamente sobre apoyos pendulares, es decir son barras articuladas arriba y abajo que permiten la dilatación de la losa de la coronación hacia los estribos.
Los arcos pueden también ser oblÃcuos si el cruce de las vÃas asà lo exige; también existen los arcos inclinados y los arcos disimétricos; el arco es inclinado cuando la linea de los arranques –lÃnea que une ambos arranques- no es horizontal (casi siempre pequeña pendiente) y el arco es disimétrico si la distancia de un arranque a la coronación es diferente de la distancia de la coronación al otro arranque. Es un caso poco común, el llamado “Puente Piccasso” u otro nombre distintivo para ese tipo de arco.
El arco atirantado o falso arco cae en la categorÃa de puentes atirantados; con ellos se elimina la necesidad de tener que soportar el empuje en la fundación, por lo que las luces que pueden alcanzarse son muy superiores a los de los arcos puros. Por lo general, los arcos atirantados son de vÃa inferior y se prestan mas para resolver un vano de gran luz que para salvar una hondonada profunda; son generalmente de vÃa inferior y el tirante está integrado a la estructura que soporta la losa de pavimento. Su aspecto de tijerilla en arco le concede un aspecto de puente "clásico", como los que se usaron en Europa durante el desarrollo del ferrocarril.
Los puentes colgantes se conocen desde hace muchos años. Con el perfeccionamiento de las estructuras de acero se desarrollaron vistosos puentes colgantes en todo el mundo, muy en especial en los Estados Unidos, donde existen puentes colgantes de luces extraordinarias. La “Puerta Dorada” en California tiene una luz principal de una milla y atraviesa la BahÃa de San Francisco. Los puentes colgantes son en realidad una variante del puente de arco; son arcos invertidos en donde la lÃnea de presiones del arco se cambia por el funicular de las cargas del sistema. Los puentes colgantes pueden construÃrse con grandes luces, ayudados por la consideración del alargamiento del cable funicular, que en oposición a lo que sucede en el arco, provoca fuerzas secundarias de sentido opuesto a las fuerzas interiores que reporta la teorÃa clásica lineal del análisis de estructuras.
Un punto muy importante en el desarrollo de los puentes colgantes y atirantados es el empleo de aceros de alta resistencia para los cables funiculares. Sin este desarrollo tecnológico, no hubiera sido posible construÃr los puentes colgantes de hoy; del mismo modo que la misma tecnologÃa sirvió para el desarrollo del hormigón pretensado en Francia y Alemania en el primer tercio del Siglo XX. En varias partes del mundo se llevaron a cabo investigaciones para producir aceros de alta resistencia, aunque fuera al costo de reducir la ductilidad. El estirado en frÃo demostró ser la primera y mas expedita vÃa para llegar a las resistencias buscadas. La producción de cables compuestos de hilos múltiples de alta resistencia permitió construÃr los primeros puentes colgantes modernos. En los Estados Unidos la Casa Roebling y la U.S. Steel se dieron a conocer por sus cables de alta resistencia y sus terminales de anclajes; en Europa hicieron lo mismo Felten & Guilleaume y la Casa Krupp de Alemania.
El deseo de producir barras de mayor diámetro no cesó y se desarrollaron tecnologÃas en base a tratamientos térmicos del acero para elevarle la resistencia. Diferentes procesos de templado hacen posible este logro. El móvil del deseo era elevar la rigidez de los cables de múltiples hilos, que adolecen del “resbalamiento de reacomodo”, es decir que un cable nuevo debe tesarse inicialmente a su tensión de trabajo, varias veces, para provocar el reacomodo de las múltiples fibras del mismo. Aun asà el módulo elástico aparente de los cables es menor que el de las barras; algo asà como un 15% menor.
El acero de alta calidad en barras de mayor diámetro hizo posible el desarrollo de sistemas de anclaje mejorados para su uso en hormigón pretensado. La Alemania de post-guerra recontruyó casi todos sus puentes en hormigón pretensado; el perfeccionamiento del H.P. con Adherencia Posterior (="post-tesado") dió origen al aprovechamiento de ese material en formas que hasta entonces no habÃa podido alcanzar el material: la continuidad y el monolitismo no habÃan podido asociarse al material. El post-tesado e inyección posterior con mortero permite la colocación de cables con trayectorias acomodadas a las necesidades estáticas del sistema, sin desperdicios ni faltas.
También se desarrollaron los puentes de cables diagonales, siguiendo el prototipo del puente en Severin, cerca de Hamburgo, construÃdo a principios de los 60 del pasado Siglo XX. En los años subsiguientes se construyeron puentes de este tipo en casi todos los paÃses del mundo, prácticamente desplazando los puentes colgantes de su trono.
Fig.1.9- Puente de cables diagonales
En la figura de mas arriba puede verse un puente de autopista, sobre la desembocadura de un rÃo, de cables diagonales de 210 m. de luz central con un ancho de 35 m aprox. Las torres tienen una altura total de 70 m. y la fundación es de tipo profundo, sobre pilotes. Las vigas transversales son de hormigón pretensdo con adherencia posterior; las viguetas longitudinales soportan la losa de pavimento son también pretensadas, fabricadas en taller y montadas en el sitio.
Cargas de diseño
Para todos los puentes vale la clasificación de las cargas de diseño siguiente:
* cargas principales
* cargas suplementarias y
* cargas extraordinarias.
Las cargas principales son aquellas que actúan siempre, o sea las cargas permanentes, y las cargas móviles que son objeto del diseño del puente; coacciones por cedimientos previsibles se consideran cargas permanentes, y por tanto cargas principales.
Las cargas suplementarias son aquellas que aparecen como consecuencia de la presencia fÃsica del puente en el medio ambiente: cambios de temperatura, viento, sismo, frenado- arranque, fricción en los cuerpos de apoyo; las coacciones por cedimientos imprevistos caben en esta clasificación.
Las cargas extraordinarias, también llamadas cargas especiales, son cargas que operan temporalmente –digamos durante la construcción del puente-, como cargas por el manejo de piezas prefabricadas, o cargas que consideran el efecto de una grúa necesaria durante la construcción, andamiajes y cualesquiera solicitaciones que no quepan dentro de las categorÃas anteriores. Cuando aparecieron los vehÃculos automóviles apareció también el rodillo compactador en su primera versión, llamado comúnmente aplanadora. Este vehÃculo se usaba entonces para el diseño de los puentes como carga móvil de diseño.
Una observación interesante es la consideración de los asentamientos de apoyo en las categorÃas de principal (si es previsible) y de suplementaria (si no es previsible). Los puentes contÃnuos se diseñan para soportar pequeños asentamientos de apoyo de manera permanente. Si los asentamientos reales llegan a un lÃmite predeterminado –generalmente 1 cm, p.ej.- se corrige el asentamiento en la mitad, levantando la supraestructura con gatos hidráulicos e introduciendo cuñas entre la supraestructura y los cuerpos de apoyo. Se introducen en el diseño entonces 0.5 cm de asentamiento de apoyo previsible como carga permanenete y 0.5 cm como imprevisible o carga suplementaria. Esto es asà porque para casos de carga suplementarios se admiten esfuerzos algo mayores que para casos de carga principales.
Obsérvese entonces que para construÃr puentes contÃnuos en terrenos blandos es necesario contar con un buen servicio de mantenimiento, que tome lecturas de cotas en las pilas regularmente. En caso de asentamientos excesivos se deben corregir éstos.
Cargas de Diseño para Puentes de Carreteras
En la actualidad las normas mas usuales para puentes de carretera son las normas europeas (derivadas esencialmente de la norma DIN 1072 de Alemania) y las normas norteamericanas, conocidas tambien como normas AASHTO.
Las primeras están expresadas en unidades métricas; las segundas, en el sistema inglés de medidas. Localmente, la mayorÃa de los paÃses usa éstas normas, o bien normas derivadas de éstas, ajustadas a condiciones o necesidades locales. Es muy común ver normas de diseño de puentes análogas a las norteamericanas, traducidas al sistema métrico, por ejemplo.
Entre ambas normas hay algunas diferencias de camino para llegar a la meta; algunas explicaciones de los elementos fundamentales de la norma, pueden ayudar a orientarnos en la aplicación correcta de las prescripciones.
La norma europea define primeramente los conceptos carril principal y carril secundario como se indica en la Fig.1.10:
Fig. 1.10-Esquema de carriles de la norma europea
El carril principal es una franja de 3 metros de ancho por el que circulan cargas móviles; no tiene que ser paralelo al eje del puente e incluso puede ser ligeramente curvo si fuere necesario. El carril principal contiene el camión de diseño que mide 6 metros de largo. El camión de diseño puede ser de tres tipos
* camión pesado (con 3 ejes y 6 ruedas)
* camión (con 2 ejes y 4 ruedas)
* remolque o eje único (con 1 eje y 2 ruedas)
El carril secundario es la superficie restante de la supraestructura, limitada a ambos lados por las barandillas del puente.
Estos conceptos valen también para los extremos del puente fuera de la supraestructura, p. ej. para determinar empujes de tierra sobre los estribos, y otros elementos.
Los vehÃculos de diseño, como puede observarse su dimensión de 6.00 x 3.00 m, no son vehÃculos determinados que existen en la realidad: son vehÃculos ficticios que representan una envolvente algo desfavorable de los muchos vehÃculos diferentes que pudieran circular por un puente.
Las dimensiones de los diferentes elementos que actúan en el diseño pueden verse en la siguiente Fig. 1.11 . La Tabla 1.1 compila las dimensiones de cada tipo de vehÃculo y la Tabla 1.2 contiene los parámetros de cargas que corresponden a las diferentes clases.
Fig. 1.11- Medidas de los vehÃculos de diseño
!Gracias por la Información!
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