PUENTES Ing. Henry Paris CIV 1833 Capitulo 9 - 1

Puente Sunshine Shyway - USA

DESCRIPCION DE PUENTES AVANZADOS 9

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1 - INTRODUCCION

En el transcurso de estas notas sobre puentes, hemos hecho especial hincapié enpuentes cuyo tablero en general ha sido del tipo isostático, ó sea, simplemente apoyado,por ser el tipo de estructura mas generalizado en el país. Sin embargo consideramos quedebemos completar nuestro trabajo haciendo una descripción en cuanto a sucomportamiento y eventual enfoque de cálculo, de estructuras mas sofisticadas comoson los puentes continuos, arcos, aporticados, colgantes, en voladizo sucesivo yfinalmente los atirantados.

Después de la segunda guerra mundial se registró durante la reconstrucción delos puentes destruidos por la guerra, un avance extraordinario en la tecnología deconstrucción de los nuevos puentes, especialmente en Alemania, Francia, Holanda,Italia y Japón.

Todo ello motivado fundamentalmente por la necesidad de adaptar lasestructuras de puentes a las nuevas y modernas vías y autopistas, y no como se hacíaantiguamente, donde se construía primero el puente y luego la vía se adaptaba a laestructura.

Actualmente los puentes modernos deben ajustarse a los trazados previstos,exigencia que tiene como consecuencia la necesidad de luces mucho mayores parapuentes mas largos, con diseños frecuentemente en curva y para viaductos de granaltura que atraviesan valles enteros.

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Estos adelantos han sido posibles por tener hoy en día a nuestro alcance,materiales de construcción con características mejoradas de mayor resistencia ycomportamiento, con conocimientos técnicos de cálculo mucho mas avanzados y connuevas tecnologías por el advenimiento del concreto pretensado.

Nuestro siglo ha permitido una enorme capacidad de diseño especializado, através de las poderosas y modernas computadoras, las cuales con sus correspondientesprogramas (software), hoy al alcance de hasta las mas pequeñas y humildes oficinas deingeniería lo han hecho posible.

A continuación haremos una clasificación con su respectiva descripción, de losdiferentes tipos de puentes que con algunas variantes se utilizan hoy en día, y de loscuales trataremos algunos con mayor detalle por ser los mas difundidos en la actualidaden diferentes países, ya sea por sus características económicas, por su sistema deejecución masiva y por tener una tecnología mas avanzada.

Es también importante mencionar, que en esta clasificación distinguiremos entrelos dos sistemas fundamentales de cálculo:

a) Sistemas Estáticamente Determinados (Isostáticos), donde paracalcular las solicitaciones internas y externas son suficientes las trescondiciones de equilibrio: åH åV y åM

b) Sistemas Estáticamente Indeterminados (Hiperestáticos), dondepara determinar las solicitaciones internas y externas debemos recurrir a laTeoría de la Elasticidad.

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1.1 Ventajas y Desventajas

Los puentes isostáticos formados por tramos simples, presentan la ventajassiguientes:

• Gran simplicidad de cálculo estructural

• Método de construcción mas sencillo

• Mejor adaptabilidad a suelos de mala calidad

Los puentes hiperestáticos característicos de todos los sistemas de puentessofisticados ofrecen la ventajas siguientes:

• Posibilidad de salvar luces considerablemente mayores

• Comportamiento estructural mas efectivo

• Ventajas económicas importantes

• Mayor seguridad ante fallas de un elemento portante por la colaboración de los elementos adyacentes.

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2 - CLASIFICACION

Para mejor comprensión de los usuarios de estas notas, vamos a presentar unaclasificación a grosso modo de la mayoría de los tipos de puentes que se construyen enla actualidad, con algunas variantes indispensables de mencionar, en el entendido quecada tipo de estructura que presentamos puede tener muchas y muy diferentesalternativas en cuanto a su forma y funcionamiento, dependiendo dicha escogencia delproyectista, de la ubicación, de los materiales, del obstáculo a salvar y en fin de lastecnologías disponibles.

Hemos optado por presentar esta clasificación en esta última etapa, aunque sepudiera pensar que su ubicación debería haber sido al comienzo de nuestro trabajo, sinembargo, consideramos que el usuario está en mejor capacidad de comprender losdiferentes tipos de estructuras después de haber recorrido y analizado los puentes contableros de tipos mas sencillos.

Para mayor claridad vamos a ilustrar los principales tipos de puentes confotografías de obras ejecutadas o en ejecución en diferentes paises donde se podránapreciar mejor las características de la estructura descrita.

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2.1 Puentes Isostáticos

2.1.1 Puentes de un solo tramo

Es el tipo de puente mas elemental y de construcción mas sencilla, Normalmenteson ejecutados de concreto armado vaciado en sitio, de vigas pretensadas ópostensadas, de vigas de acero y de celosías de acero. Pueden construirse en luces queoscilan entre de 15 mts. y hasta de 300 mts. dependiendo del material utilizado y delsistema de construcción empleado.

PUENTES DE TRAMO SIMPLE

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2.1.2 Puentes de varios tramos simples

Son los obtenidos uniendo varios tramos de vigas en una sola luz sincontinuidad y con apoyos intermedios. Tienen el inconveniente de tener muchas juntasde dilatación, pero son aptos para asentamientos diferenciales pequeños en terrenos depobre calidad.

PUENTES DE VARIOS TRAMOS SIMPLES

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2.1.3 Puentes de vigas articuladas ó Gerber

Son aquellos puentes con vigas simples con volados, en cuyos extremos searticulan y apoyan tramos simples, resultando un sistema estáticamente determinado.Son muy aptos para terrenos de mala calidad, pero requieren mayor mantenimientodebido a las juntas de dilatación y las articulaciones indispensables.

PUENTES DE VIGAS ARTICULADAS Ó GERBER

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2.1.4 Puentes con Pilas tipo cónsolas

Este diseño es particularmente apto para puentes isostáticos en curva, debido aque la consola puede tener un ancho radial, permitiendo construir puentes en curvacon tramos rectos.

PUENTES CON PILAS TIPO CONSOLA

También es conveniente en puentes muy largos con elementos prefabricados,como es el caso del Puente sobre el Lago de Maracaibo con una luz total de 8.676mts., en el cual las consolas con 189 mts. de luz tienen la variante de no estar encantilever sino atirantadas con cables a torres en forma de A de 92 mts de altura.

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2.2 Puentes Hiperestáticos

Los puentes hiperestáticos comprenden una gran variedad de tipos deestructuras, por lo cual resulta difícil tratar de englobarlos en prototipos, ya que enmuchos casos pueden resultar una mezcla de diferente alternativas y aún sus sistemasde construcción puede contener también simultáneamente alternativas distintas.

Puente Rombach - Alemania

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Son sin lugar a dudas, los más económicos y los que hacen mejor uso no solo delos materiales, sino del grado de hiperestaticidad de la estructura. En cuanto a sudiseño, resultan considerablemente mas elaborados y complejos, y requierengeneralmente del aporte de computadoras y de programas especializados.

Tienen la desventaja de que pueden presentar problemas ante descensosdiferenciales de los apoyos y deben también considerarse las dilataciones portemperatura que puedan ocurrir cuando los puentes son muy largos.

2.2.1 Puentes Continuos

Los puentes continuos son los que siempre tienen mas de dos tramos,apoyándose tanto en los apoyos extremos como en los apoyos intermedios en formasimple, sin que exista continuidad alguna con los soportes, y sin juntas de dilatacióninternas. Pueden tener cualquier tipo de sección transversal, a saber: losa maciza, viga T,viga cajón celular de concreto, viga palastro de acero, viga cajón de acero y aun engrandes cerchas de acero. Para luces hasta 35 mts. se diseñan normalmente de secciónlongitudinal recta.

Longitudinalmente cuando se trata de luces mayores de 35 mts. se usan desección longitudinal variable con acartelamientos rectos ó parabólicos, dándole mayoraltura en los apoyos y mas esbeltez en el C/L de los tramos, lo cual nos permite lograrluces mayores. En general desde el punto de vista económico, las luces internas debenser de 1.3 a 1.4 mayores que las luces externas.

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PUENTES DE VIGAS CONTINUAS

Puente Bendorf sobre el rio Rhin - Alemania

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2.2.2 Puentes Aporticados

Los puentes aporticados son aquellos en los cuales la superestructura y lainfraestructura están unidas rigidamente en los nodos a los efectos de flexión. Lospórticos pueden ser ejecutados en concreto armado, en acero y en concretopostensado. Para luces medias ó grandes que sobrepasan los 30 mts. deben ser desección variable y preferentemente postensados. Son especialmente aptos para pasos ados niveles.

2.2.2.1 Pórtico Trilátero Biarticulado

PORTICO TRILATERO BI-ARTICULADO

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El pórtico trilátero biarticulado constituye una estructura clásica de la época deposguerra cuando comenzaron a dotarse las carreteras y autopistas con distribuidoresde tránsito y pasos a dos niveles. También se difundió ampliamente como paso a dosniveles para ferrocarriles.

Generalmente por economía son de sección variable y requieren casi siempreestar articulados en los extremos inferiores de los pies del pórtico, a fin de no transmitira las fundaciones momentos flectores. Hoy en dia su tecnología resulta costosa encomparación con otros tipos de puentes

2.2.2.2 Pórticos con soportes inclinados

PUENTES CON PIES INCLINADOS

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Los pórticos con pies inclinados son una variedad de pórtico de tres luces,donde los soportes centrales son inclinados permitiendo mayor luz central, lo cual esmuy conveniente cuando se trata de salvar grandes vanos. Deben estar fundados ensitios rocosos ó con muy buen sistema de fundación.

Puente Boise - Idaho - USA

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2.2.2.3 Puentes Pórtico con triángulos

En este tipo de pórtico también llamado Gable Bent, el soporte ó pié y el tramolateral forman un triángulo de barras. El apoyo de los dos triángulos de barras puedeejecutarse de forma articulada, convirtiéndolo en una estructura prácticamenteisostática desde el punto de vista fundaciones.

PORTICOS TRAINGULADOS

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2.2.3 Puentes en Arco

2.2.3.1 Puentes en Arco Empotrado Abiertos

PUENTE EN ARCO EMPOTRADO

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Puente Noblach - Austria

La construcción del arco tiene su origen en la bóveda. Dada la alta resistencia acompresión de los materiales de construcción tales como la piedra, el ladrillo ymodernamente el concreto armado, la forma del arco impide que se produzcanesfuerzos a tracción por estar trabajando las secciones a compresión, trasmitiendo losempujes a los contrafuertes. Este tipo de puente debe estar ubicado en suelos rocosos ymuy estables.

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2.2.2.4 Puente en Arco superior de dos articulaciones

Una modalidad interesante la constituye el tipo de puente donde el arco estádiseñado en forma superior sobre la calzada, y colgando del arco bajan tirantes quesoportan la calzada. En esta solución estructural, la calzada puede servir de tirantehorizontal entre los extremos del arco, anulando en esta forma los empujes yconvirtiéndolo en una estructura simplemente apoyada.

Puente en arco superior sobre el estrecho Fehman - Alemania

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PUENTE EN ARCO SUPERIOR BIARTICULADO

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2.2.2.5 Puentes en Arco por voladizos sucesivos

Constituye una variedad de arco solamente desde el punto de vistaconstructivo, al ser ejecutado en secciones cortas de 3 a 5 mts. mediante una cimbra envoladizo con encofrado. A continuación las secciones parciales van tensándose con lasección ya terminada. Se han logrado en esta forma luces de hasta 240 mts.

PUENTE EN ARCO VOLADIZOS SUCESIVOS

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Puente en arco superior sobre el estrecho Fehman - Alemania

2.2.4 Puentes Colgantes

Los puentes colgantes existen en forma primitiva en América desde la época delos Incas. Modernamente este tipo de puentes está conformado por un tablero el cualcuelga de tirantes verticales, los cuales a su vez penden de los cables principales.

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PUENTE COLGANTE

Los cables principales en forma de catenaria están apoyados en torres altas yatirantados en los extremos a macizos de anclaje. Actualmente existen puentescolgantes hasta de 1.990 mts. de luz central (Akashi-Kaikyo).

La tensión que se produce por el peso del puente suspendido se convierte enuna fuerza vertical hacia abajo en la torres y en una tensión angular hacia arriba en losmacizos de anclaje, como puede verse en la figura. La fundación en este tipo de puentese resume a dos elementos: pilas en forma de torres y macizos de anclaje a tensión enlos extremos.

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Puente colgante en etapa de construcción - Se aprecia viga rigidizadora

Existe un elemento esencial para la estabilidad de la estructura que consiste enuna viga longitudinal rigidizadora, la cual en general se conforma por una cercha larga,continua y esbelta, la cual puede ir por encima ó por debajo de la calzada. En muchospuentes esta cercha se utiliza para alojar un segundo piso a la estructura, en dondeeventualmente puede ir una vía férrea. Si esta viga rigidizadora no es provista, la carga

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viva rodante tenderá para ciertas posiciones de carga a formar una onda a lo largo de lacalzada y los vientos laterales podrán causar oscilaciones muy peligrosas, provocandola caída de la estructura (Tacoma Narrow Bridge).

Puente colgante sobre el rio Orinoco - Venezuela

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2.2.5 Puentes de Cables Atirantados

En los puentes de cables atirantados, numerosos grupos inclinados de alambres deacero se hacen cargo por su calidad de tirantes, de la misma función ejercida por loscables portadores tendidos entre las pilas en los puentes colgantes y por los cablesverticales que penden de los cables principales.

Una ventaja que tiene este tipo de puente reside en que se puede lograr unagran esbeltez del tablero, el cual generalmente tiene la forma de viga cajón. Según laforma de colocación del cable atirantado, el tablero puede ir soportado con dos cablesen los bordes externos ó con un solo cable central, siendo indispensable una granrigidez a la torsión.

Hay diferentes alternativas en cuanto la forma de distribuir los cables en la pilade soporte, pudiendo tener:

a) forma de arpa, con los cables atirantados paralelos entre si y anclados en la pila a diferentes alturas,

b) forma de abanico, los cables atirantados se anclan en la pila en un solo punto y desde allí parten en forma de abanico a la losa de calzada,

c) forma de haz, constituye una alternativa intermedia la cual exige menos material y simplifica el anclaje y la forma de transmisión de las cargas a la pila.

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Los cables se anclan en puntos de apoyo en la losa de calzada a distancias queoscilan entre 10 y 20 mts. Longitudinalmente los cables pueden colocarse en hileras enuno ó dos niveles, lo cual exige una ejecución lo suficientemente rígida de la losa decalzada.

PUENTES ATIRANTADOS

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Puente el rio Ebro - España

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Puente atirantado construído paralelo a la orilla del rio y luego virado a su posición final

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2.2.6 Puentes Movibles

Finalmente no podemos dejar de mencionar un tipo de puente utilizado enalgunos países para salvar ríos y canales navegables, donde existe un denso tráfico deembarcaciones y donde no es económico diseñar un puente con altura ó gálibosuficiente para permitir el paso de embarcaciones. Este tipo de puente en general es unavariante de los tipos anteriores pero con características especiales.

Hay tres tipos principales que podemos mencionar:

a) Giratorio, el cual consiste en general de un tablero que gira 90° sobreuna pila central, teniendo la desventaja que solo es utilizable la mitad de su longitud. elmas largo existente sobre el río Misssissippi para ferrocarril tiene una luz de 158 mts.

b) Basculante, consistente en dos voladizos con contrapesos, los cualesbasculan sobre dos pivotes horizontales dejando una apertura central por la cual pasanlas embarcaciones. El puente Sault Ste. Marie en Michigan tiene el récord en longitudcon una luz de 100 mts.

c) Levadizo, el cual usualmente consiste en una viga apoyada en losextremos desde sendas torres por cables verticales los cuales son accionados por unelevador. El mas largo de este tipo tiene una luz de 167 mts. es para ferrocarril y seencuentra en Elizabeth, New Jersey.

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3 - METODOS DE CONSTRUCCION

3.1 Puentes construidos con encofrados deslizantes

Los puentes de concreto armado se construyen utilizando encofrados óformaletas de madera ó metálicas, las cuales son las que le dan la forma al concreto alendurecerse. Los encofrados se apoyan en cimbras que también pueden ser de maderaó metálicas, las cuales son estructuras provisionales que servirán para trasmitir el pesodel concreto aún no portante al suelo. A medida que vá fraguándose el hormigón, laobra adopta su propia capacidad de soporte y puede ser retirada la cimbra.

Cuando las luces son razonablemente grandes y el terreno lo permite, resultaeconómico y rápido la ejecución del puente utilizando las cimbras y encofradosdeslizantes. Estas cimbras resultan ventajosas cuando hay que vaciar un puente devarios tramos, sobre un suelo plano donde pueda desplazarce sin dificultad la cimbra yel encofrado que soporta.

También es factible en el caso de viaductos con pilas de gran altura, el utilizar elprocedimiento de desplazar los encofrados verticalmente, a medida que se vanejecutando etapas parciales de vaciado. El desplazamiento de las cimbras se haceusando carros de avance sobre rieles los cuales soportan el encofrado y se deslizan a lasiguiente sección, una vez que el concreto a adquirido su resistencia calculada.

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Voladizos laterales ejecutados con encofrados deslizantes

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CONSTRUCCION CON CIMBRAS DESLIZANTES

3.2 Puentes construidos por Voladizos Sucesivos

Otra modalidad constructiva utilizada en Europa desde 1.950 en laejecución de puentes de grandes luces centrales y sobre topografías difíciles, consisteen proceder a la erección del puente por segmentos utilizando dovelas prefabricadas.

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CONSTRUCCION EN VOLADIZO CON SOPORTE AUXILIAR

La sección transversal mas utilizada y apropiada es la del cajón huecopostensado, utilizando segmentos ó dovelas que se ejecutan en taller y se transportanal sitio para su erección final. Este método es apropiado para puentes continuos, arcos.atirantados, etc.,

El procedimiento de erección generalmente utilizado es el método del cantileverbalanceado, en el cual los segmentos prefabricados ó vaciados en sitio van ser unidosprogresivamente en el tope de la pila mediante cables que son postensadosparcialmente, para formar la mitad de la luz a cada lado de la pila. En forma similar,segmentos de concreto pueden ser erigidos en otra pila opuesta a la primera, para deesta forma cerrar y completar el tramo.

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Este método de erección usado repetitivamente puede servir para crear puentesde muchas luces y de grandes longitudes, lo cual elimina la ejecución de cimbras envalles profundos, canales y ríos navegables, áreas industriales ó densamente pobladas;provocando por lo tanto molestias mínimas durante la construcción. El diseño de estetipo de puentes es complejo y requiere equipos especializados de erección.

Puente ejecutado con cajones prefabricados por el método de voladizos sucesivos

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3.3 Puentes Lanzados

Otro método de construcción originado en Alemania y utilizado en muchospaíses consiste en la construcción y vaciado de tramos de superestructura en losaccesos del puente por detrás del estribo, y su posterior lanzamiento hasta pilaspreviamente construidas. En algunos casos y según las luces, resulta convenienteutilizar pilas provisionales las cuales son retiradas después de la finalización de laestructura.

También puede ser mencionada la utilización de grandes cerchas, las cualessirven para apoyar y contribuir en forma provisional al lanzamiento de los elementospre-fabricados. Puede decirse, que la imaginación no tiene límites en cuanto a lasnuevas técnicas de erección de los grandes puentes, dependiendo tan solo de lacapacidad económica y tecnológica de las empresas constructoras y de los países queacometen la ejecución de los modernos puentes.