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EL PUENTE CON PRETENSADO EXTRADOSADO.
UN NUEVO TIPO ESTRUCTURAL
GUSTAVO IllO CHO
Profesor Escuela de Ingeniera Civil
Universidad de Industrial de Santander
ANGEL
APARICIO BENGOECHEA
Profesor T S de Ingenieros de Caminos
Universidad Politcnica de Catalua
RESUMEN
idea de estos puentesy su denominacin proviene de Mathivat quien en
1988,
propone como
solucin
de
concurso del viaducto de
L Arret-Darr
puente con esta tipologa
que
se caracteriza
po r disponer
el
pretensado sobre las secciones de apoyo en pila exteriormente al canto de la
seccin y por la pane superior del tablero intentando ganar excentricidad. Resulta as una
especie
de
puente
de
tirantes con pila baja
y
canto holgado que busca adems
de l
compensacin
de cargas que la variacin de tensin en el acero de los tendones extradosados debida a la
sobrecarga sea lo suficientemente baja para que no se requieran los caros anclajes resistentes a
fatiga empleados en los puentes de tirantes.
l artculo ilustra la concepcin y desarrollo de este tipo de puente a
partir
de la evolucin del
concepto de compensacin de cargas mediante el pretensado con tendones de acero y de la
construccin po r avance en voladizo. Hace una presentacin de los puentes construidos o en
fase de construccin que pueden ser catalogados dentro de esta tipologa de puentes. Adems
y
dado que la filosofa de diseo de este tipo de puentes busca agotar las posibil idades de la
resistencia
afatiga
de los tendones de pretensado exterior sepresenta un resumen de
la
revisin
bibliogrfica existente sobrefatiga en tendones y tirantes de acero y sus dispositivos
de
apoyo y
anclaje. or ltimo se establecen las principales conclusiones de la investigacin.
PALABRAS
CLAVE:
Puente, honnign pretensado, extradosado.
INTRO U IN
Los puentes de honnign con pretensado extradosado
han emergido como una nueva tipologa de puentes para
luces medias. Mediante la utilizacin del hormign y la
tecnologa del pretensado, se busca, en asociacin con los
tendones de acero como tirantes, plantear una solucin
marcadamente favorable hacia estas estructuras. La idea,
introducida por Mathivat en 1988 [4], presenta
una
morfologa estructural semejante a los puentes modernos
de tirantes Figura 1 , pero con una torre demenoraltura y
mayores cantos en el tablero Figura 2 .
Figura
Puente Moderno
de tirantes. Puente Pasco-Kennewick,
Washington, USA 1975-78 .
VIS Ingenieras
Volumen
1
No.
1
pags. 67-73, Mayo 2002; Facultad de Ingenieras Fisicomecnicas,
VIS
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O I 9 ~ ; ; : ; S R EV IS TA D E
LA
F ACULTAD D E I N G E N IE R A S F SI CO M E C N IC A S
igur 2. Puente de honnlgn con Pretensado Extradosado. Puente de
Odawara Blueway, Japn 1994 .
En elesquemade un puentecon pretensado extradosado
Figura 4
se
distingue caractersticas de los puentes
atirantados
de los puentes de tramo recto de hormign
pretensado. Un punto focal en el diseo de los puentes
atirantados es el comportamiento mismo de los cables
atirantados. La principal diferencia, entre los tirantes
modernos
los cables de postensado ms tradicionales
los utilizados en el pretensado exterior, es la influenciade
la
fatiga en el diseo.
CONCEPCIN
ESTRUCTUR L DEL PUENTE
CON PRETENS DO
EXTR DOS DO
Se podra inicialmente asumir que el concepto del
puente conpretensado extradosado es algo completamente
nuevo. Sin embargo, esto no es totalmente cierto. Su
concepcin
desarrollo puede seguirse desde diversas
perspectivas: desde lapticadel pretensado, desde la ptica
constructiva o desde la morfolgica. En esta exposicin
seguiremos las dos primeras.
En un puente de tramo recto de hormign pretensado,
construido
po r
voladizos sucesivos
se
necesita una
cantidad importante de pretensado interno superior para
hacer frente a losmomentos flectores negativosque ocurren
durante su construccin. Desde el punto de vista de la
optimizacin del pretensado, es lgico buscarque ste acte
con su mxima excentricidad para compensar las cargas.
Surgen as los puentes de tirantes, donde el incremento
importante de excentricidad se materializa a travs de las
torres
y
donde, gracias a ellas, se obtienen excentricidades
sobre pila del orden del veinte por ciento de la luz. Esta
disposicin
de
los tendones
de
pretensado
no slo
compensa las cargas pennanentes al ponerlos en tensin
sino que, su cambio de geometra es tan importante, que
los propios tendones tomanprotagonismo estructural frente
a las sobrecargas, transportando, va axil , una fraccin
importantede stas hasta los apoyos. Es decir, pasana ser,
adems, tirantes. Esta mayor eficacia de los tendones de
pretensadono es gratuita: sus variaciones de tensin frente
a las sobrecargas frecuentes son altas y serequieren anclajes
especiales resistentes a fatiga.
hora
bien
el problema puede replantearse del
siguiente modo:
Hasta qu l mite
podemos forzar
la
excentricidad
en
el apoyo altura
de la
torre para que
la
respuesta de los tendones de pretensado como tirantes no
venga limitada por la fatiga, y puedan seguir utilizndose
anclajes de pretensado convencional? Dadoque
la
rigidez
de los tendones como tirantes inclinados depende del seno
l
cuadrado del ngulo con la horizontal, el control de este
ngulo nos permitir, en primera aproximacin, optimizar
el binomio contrapuesto mxima excentricidad del
pretensado en apoyo- necesidadde resistencia a fatiga. Es
pues, como respuesta a este reto, como surge el puente
conpretensado extradosado: unpuente donde elpretensado
exterior se lleva hasta el lmite
de
sus posibilidades de
trabajo como tirante, posibilidades que vienen coartadas
por la resistencia a fatiga de sus anclajes convencionales.
Otra aproximacin argumental al desarrollo de estetipo
de puentes con pretensado extradosado nos
la
puede
suministrar el estudio de la evolucin de la construccin
por voladizos
de
los puentes
de
tirantes y
la
de los tramos
rectos. Es clsico, entrelos profesores de puentes, explicar
el nacimiento del puente atirantado multicable a partir del
desarrollo
de l a
construccin de los sucesivos puentes
de
Morandi: Polcevera Gnova, 1967 , Wadi Kuf Libia,
1971 , Barranquilla Colombia, 1973 .
En
ellos, se pasa
de la
utilizacin
de
un pretensado exterior superior, al
atirantamiento provisional de cada dovela para, luego,
finalizado el tablero, sustituir todos estos tirantes por un
nico tirante definitivo. Es
Finsterwalder quien, en 1967 y
con ocasin de uno de los concursos de puentes para el
Gran Belt, quien propone una idea definitiva: dar carcter
de permanencia
a
los
t ir an te s u ti li zados duran te
construccin, surgiendo as el puente atirantado multicable
moderno.
Un desarrollo paralelo
podra
establecerse con
la
construccin por voladizos sucesivos de determinados
puentes
de
tramo recto. El problemaque, a veces presentan
estos puentes, es su enonne canto en arranques, necesario
para hacer frente a los momentos negativos.
Por
ello, y
principalmente en puentes de dos vanos, se ha recurrido
algunas veces a atirantardurante la construccin,mediante
tirantes provisionales, cada una de las dovelas ejecutadas.
Los tirantes penniten entonces controlarlos altosmomentos
f1ectores negativos que se producen enla construccinpor
voladizo y reducir, as, el canto
dela
seccin de apoyo en
pila, lo que conlleva mejoras arquitectnicas importantes.
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E L
P UE NT E C ON P R E T E N A D O
E X T R A D O S A D O
U N N UE VO
T IP O E S TR U C TU R AL
bl
1. Principales proyectos de puentes con pretensado extradosado.
Longitud Maxima Canto en Canto en
Puente Tipo estructura luces
total
Ancho
Altura torre apoyo centro luz Terminacin
1) 2 3 4)
5)
6
7) 8)
9)
10)
m) m) m) m) m) m)
Odawara pr tico rgido 3
270
122
9 5 0
10.7
3 5 2 2 1994
Tsukuhara
prtico rgido
3
323
180
9.25
16.0 5.5 3.0
1998
Kanisawa
viga continua
3
380 180 9 50
21.0
5 6 3 3 1998
Okuyama
viga continua
3
285
140 8.89
12.0 3.5
2 5
1998
Ibi viga mixta 6
1397
271.5
33 00
30.0 7.0
4 0
2001
Kiso viga mixta
5
275
33 00
30 0 7 0
4.0 2001
Yashiro prtico rgido 4
340 105
12.80
12.0 2 5 2 5
1996
Yashiro prtico rgido
3
200
90
12.80
10.0
2 5
2.5
1996
Shikari
viga continua
5
610 140
28.00
10.0
6 0
3 0
1999
Miyakoda
prtico rgido
2
268
133 16.50
20.0
6 5 4 0
2000
Mltanigawa prtico rgido 2
152
92.9
17.00
12.8 6.0
3 0
1999
Himi prtico rgido
3
365 180 9.50
16.0
5 0 3 0
2002
Acabada la
construccin, se
va completando el
pretensado necesario en el esquema definitivo, al tiempo
que se desmontan los tirantes provisionales. Y aqu, en
algn momento, los ingenieros japoneses se preguntaron
lo mismo que Finsterwalder en el puente del Grant Bel :
y si dejamos estos tirantes en el puente para siempre?
La
respuesta a esta pregunta es el puente con pretensado
extradosado.
PUENTES CONSTRUIDOS
CON PRETENSADO EXTRADOSADO
igur
3. Puente de hormign con pretensado extradosado. El puente
de Tsukuhara, Japn 1998).
La
realizacin del primer puente con pretensado
extradosado, el puente de Odawara Blueway Figura 2),
finalizado en 1994, en la baha de Odawara Japn), ha
sido
seguida
parla construccin de otros puentes
extradosados de luces medias y largas. Los ms notables
son el puentede hormign conpretensado extradosadode
Tsukuhara Figura 3), con una luz principal de 180 m, y
lospuentes mixtos conpretensado extradosado
de
lbiRiver
y
de
Kiso River,
en
los que se alcanza una luz central
de
275m. Otros puentes con pretensadoextradosado verTabla
1), han sido construidos a raz del xito logrado con las
primeras aplicaciones de esta tcnica aunque, en la
actualidad
su
nmero
no es
muy abundante
[3],[5],[6],[7],[8],[15].
CARACTERSTICAS DE LOS PUENTES
CON PRETENSADO EXTRADOSADO
Las caractersticas ms relevantes que podemos
destacar del puente con pretensado extradosado son:
l
Los puentes de hormign conpretensado extradosado,
aunque tienen la apariencia superficial de un puente
atirantado, tienen un comportamiento estructural ms
cercano a los puentes comunes de vigas Su
construccin requiere
el
conocimiento de las
tecnologas actualmente aplicadas a laconstruccin
de
los puentes de hormign pretensado de tramo recto y a
los puentes atirantados.
2.
Los puentes de hormign con pretensado extradosado
se han aplicado a puentes de mediana luz con tableros
de honnign, y tienen un sistema constructivo que
ofrece una solucin prctica ante el problema
de
realizar, de una forma rpida y econmica, puentes de
luces comprendidas entre los 100 y 200m.
3. Un dimensionamiento adecuado de los elementos del
puente permite evitar fuertes oscilaciones de tensin
y, por lo tanto, descartar de forma casi absoluta todo
riesgo de fatiga, tanto en
anclajes como en los
tendones, permitiendo
la
utilizacin
de la
tecnologa
usada
en el
pretensado exterioro
en
el
pretensado convencional.
4. El concepto
de
pretensado extradosado
permite el planteamiento
de
una estructura
que
utilizamenores cantidades
de materiales y tiene
menores costos de
construccin con respecto
a un puente atirantado
convencional.
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Olp ln As REV ISTA DE L A FACU L TAD DE IN EN IERfAS F f s lCOMECN ICAS
f 27000 I
1 74 00 1 122 00 1 74 00 1
igur
4 Alzado
longitudinal del
puente
con pretensado
extradosado
5. Dado la alta rigidez de la viga principal, al contrario de
lo que oCurre
enun
puente atirantado, no haynecesidad
de
ajustar la fuerza de tensinde los cables atirantados,
durante la obra, al fmalizar la construccin del
tablero.
SISTEMA
DE
ATIRANTAMIENTO
DE
UN
PUENTE
CON
PRETENSADO EXTRADOSADO y LOS
FENMENOS
DE
FATIGA.
Los puentes con pretensado extradosado construidos
hasta la presente
fecha
se caracterizan por unos menores
costos originados, en parte, por la util izacin de la
tecnologia de
tendones actualmente
uti lizada en el
pretensado
interno
no
adherente
y en el pretensado exterior
Esto es posible gracias a que la sobrecarga
de
servicio
produce pequeas fluctuaciones
de
tensin
en
los puentes
con pretensado extradosado,
al contrario de
lo
que ocurre
en un puente atirantado convencional. La disminucin
substancial en
la
mxima oscilacinde tensin en el sistema
de anclaje permite no tener que utilizar los costosos
sistemas que se util izan en los puentes atirantados
convencionales
y
que estn gobernados por el fenmeno
de fatiga.
Otra
tendencia en la construccin
de
los puentes con
pretensado extradosado es la eliminacin de los anclajes
en
la
torre y la colocacin
en
su lugar de una silla de anclaje
que permita el paso del t irante y su reemplazo futuro
en
caso de necesidad Figura 5 . Tanto
en
uno como
en
otro
caso, la sobrecarga de servicio produce pequeas
oscilaciones
de
tensin en los
tirantes
y
sus
anclajes
aunque
sonpequeas, sonnetamente superiores a los
que
se presentan en los tendones usados en el pretensado
exterior o postesado, por tal motivo es razonable tratar de
fijar un lmite admisibleparadichas oscilacionesde tensin.
De otro lado, si se pretende que en los puentes con
pretensado extradosado los cables no uti licen anclajes
individuales en la cima de la torre entonces se requerir
una siJIa para hacer pasar
por
encima de ella los cables.
Mediante la utilizacin de una silla se puede obtener
una
situacin de fijacin de los tirantes o de apoyo deslizante.
En
la primera disposicin, que es actualmente la utilizada
en la totalidad de las realizaciones hasta ahora construidas
o
en
fase de construccin, se bloquean los tirantes creando
una situacin de apoyo fijo en la cima delpilono. Mientras
qu e
la segunda
disposicin donde
ha y
un
posible
deslizamiento y una alta concentracin de esfuerzos entre
la superficie de contacto de la silla y los cables, no ha sido
adoptada en ningn caso.
Aunque se utilice la solucinde bloqueode los tendones
pasantes sobre el pilono, al no estar totalmente fijos los
cables
en
la siJIa de apoyo, estos tendern a deslizarse y a
moverse segn las cargas aplicadas
El
continuo
movimiento,
an
a nivel microscpico, puede originar
posibles problemas de desgaste por elrozamiento continuo
y
oscilante entre las superficies en contacto de ambos
elementos. Este fenmeno fisico
de
rozamiento y desgaste,
ono i o en metalurgia omo fretting , pue e
ocasionarnos problemas adicionales como fatiga
y
corrosin, conocidos en el mbito cientfico con los
nombres de: fat iga
por
rozamiento fretting fatigue y
corrosin por rozamiento fretting corrosion). Entonces
surge la pregunta: es posiblequ la fatiga y/o la corrosin
por rozamiento sean fenmenos que puedan hacemos
inestable y cuestionable la viabilidad de las tipologas de
los puentes
con
pretensado extradosado?
Los criterios de diseo parael sistema de atirantamiento
de
un
puente de hormign con pretensado extradosado
basados
en
investigaciones sobre
el
tema de la fatiga
en
los sistemas de atirantamiento utilizados ene l pretensado
exterior o en el pretensado con armaduras postesas [9],
lO], [11], [12], [13], [14] se pueden resumir en:
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E L P U EN TE C ON P RE TE N SA D O E XT RA DO SA OO U N N UE VO T IP O E ST RU C TU R AL
Torre
7
Tubo
de cero
150
-
Tubo
xterior
de
Polietileno
Placa de Soporte
nillo
Figura
5. Silla en
la
cima
del pilona para el anclaje de los tirantes.
l.
Para poder utilizar la tecnologa actualmente utilizada
en el pretensado exterior o en el pretensado interno no
adhe rente deben ser definida s d isposi cione s
constructivas y de diseo para asegurar la seguridad
estructural del sistema frente a la fatiga
2 Ensayos a escala real del sistema de atirantamiento
propuesto permitenvalidar la seguridad estructural del
sistema tal como
se
hizo durante la construccin del
primer puente con pretensado extradosado, el puente
de Odawara.
3 El sistema de anclajes y tendones actualmente en uso
en el pretensado exterior o en el pretensado interno no
adherente puede considerarse seguro frente a lo s
fenmenos de fatiga siempre y cuando la mxima
oscilacin de tensin sea de 8 kglmm
2
y la mxima
tensin no supere el 65 de f . Este lmite asegura
pu
que el sistema de anclajes y tendones soportar por lo
menos 2millones de ciclos de cargasin que se presente
una disminucin del 5 en
el
rea inicial del tendn
4 La utilizacin de varias barreras de proteccin de los
cordones por ejemplo, galvanizado, revestimiento
epoxi, vainade polietileno) permite no solamentehacer
frente a
los
ataques fsicos y qumicos del
medio
ambiente sino, tambin, disminuir o anular el efecto de
los daos que puede ocasionar la fatiga por corrosin
o por rozamiento
CRITERIOS DE IS O
Los resultados del estudio realizado sobre el
comportamiento estructural de los puentes conpretensado
extradosado durante construcciny en servicio [1] permiten
plantear los siguientes criterios de diseo parael proyecto
de un puente con pretensado extradosado
Una disposicin de los tirantes en forma de abanico,
en dos planos paralelos, requiere que el primer tirante
est anclado entre 0.18 y 0.25 de la luz principal,
medido
desde
el
eje
de la torre Los tirantes ms
prximos a la pila son ineficaces
2 A partir del primer tirante, la separacin longitudinal
tpica entre tendones extradosados debe ser la de la
longitud de la dovela empleada en construccin, con
objeto de compensar una fraccin del peso de cada
dovela.
3 En contra de Mathivat, que sugiere tableros de canto
constante de esbeltezU35 aconsejamos tableros con
cartelas de inercia variable
con
un canto en centro de
luz de U y una relacin entre el canto en apoyo
respecto al canto en centro de luz de 1 5
4
Los actuales tendones utilizados en el pretensado
exteriorpueden trabajarcon una mximaoscilacin de
tensin de 8 k mm
bajo una tensin de trabajo
mximade0.6*f
u
sin presentarse problemas de fatiga,
siempre y
cuan >
los tendones estn suficientemente
protegidos contra posibles fenmenos de fatiga por
rozamiento o fatiga por corrosin [2], [9J [10].
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R E V I S T
D E
L
F CUL T D
D E
I N G E N I E R S
F f s lC C l M E C N I C S
bl 2
Comparacin
entre el
puente
con
pretensado extradosado
con el puente atirantado
de
hormign
y el
puente de
tramo recto
de hormign
pretensado
5.
Una
aHnra de
la torre
de
aproximadamente 0 10 de
la luz
principal, es el valor recomendable
para que no se produzcan oscilaciones
de tensin en los tirantes mayores a 8
kg mm
con la totalidad de la
sobrecarga de puentes de carretera
6. Dado que no se pueden compensar la
totalidad de las cargaspermanentes,
se
requiere dar contraflechas durante la
construccin que tengan en cuenta no
slo
la deformacin instantnea
durante
el proceso constructivo sino
tambin los incrementos de flechas
por fiuencia del honnign.
7.
La no compensacin total de las cargas permanentes
originauna deformada diferente de cero bajo el estado
pennanente. Por tal razn se requiere un estudio del
efecto de la fiuencia del honnign.
Referente a las cuantas de acero depretensado, del estudio
realizado puede deducirse que si no se apura la tensin
admisible en los tendones extradosados, la cuanta total de
acero de pretensado, suma del interno y del extradosado,
es del orden del 14 ms aita que un puente de tramo
recto de luces similares construido por voladizos. Por el
contrario si
se
apura la
tensin
de
los tendones
extradosados hasta el mximo admisible, la cuanta total
de acero duro deunpuente extradosado puedeser del orden
de un
12
inferior
y
ello con menor canto sobre pilas.
CONCLUSIONES
La Tabla 2 resume una comparacin entre el puente
conpretensado extradosado con
el
puente de tirantes y con
el puente de tramo recto. En los puentes con pretensado
extradosado el pretensado es mixto una parte es interno
(dentro del canto) y la otra
es
extradosado. Cada uno
de
ellos tendr caracteristicas
propias
que las hacen
diferenciable ensu disposicin como en su comportamiento
dentro
de l
puente. Las cargas perp1anentes
son
transportadas hasta
la
cimentacin mediante
la
accin
combinada
de
un mecanismo de cortante flexin ejercido
por el tablero y por la traccin ejercida por los tirantes.
Por filosofia de diseo,
se
busca apurar la tecnologa de
los tirantes de tal modo que
no
se presenten fenmenos
de fatiga que gobiernen sudiseo. Esto nos penniteutlizar
una tecnologa menos costosa. La construccin de estos
puentes se realizamediante el procedimiento de voladizos
sucesivos pero
on
la ayuda de tirantes que no
son
provisionales sino definitivos.
Los puentes con pretensado extradosado constituyen
un tipo intermedio de puente entre los puentes de tramo
recto de hormign pretensado y los puentes de tirantes
construidos por voladizos sucesivos permitiendo la
construccin de estructuras ms esbeltas y con menos
cantidad de materiales
y
extendiendo la aplicacin de la
prefabricacin en taller, al poder compensar eficazmente
medi nte
los tendones
extr dos dos una
fr in
significativa de las cargas permanentes.
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