Tipos y Componentes Estructurales de Puentes Ing. John Ampuero Alata
TIPOS DE SUPERESTRUCTURAS La construcción de la superestructura de un puente depende del tipo de superestructura que puede ser establecido de la siguiente manera: PUENTES S METÁLICOS Á COS Simplemente apoyados, reticulados o de alma llena. C ti Continuos, reticulados ti l d o de d alma l ll llena. Arcos. Atirantados. Atirantados Colgantes. PUENTES DE CONCRETO Simplemente apoyados. apoyados Continuos. Pórticos. Pórticos Arcos
PUENTES: DEFINICIÓN Y CONCEPTOS GENERALES Para muchos, los puentes son sólo grandes y casii indestructibles i d t tibl obras b d la de l ingeniería. i i í Son S muy pocas las personas que al verlos se d ti detienen y reflexionan fl i acerca de d su utilidad, tilid d de d su forma, su estructura y otras importantes características t í ti que hacen h d ellos de ll obras b muy necesarias para el desarrollo de un país, pueblo o región. ió
ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE UN PUENTE El rol que juegan los elementos estructurales de un puente en el proceso de construcción es de vital importancia. importancia Se presenta a continuación los principales componentes de los puentes. puentes - La Superestructura * Tablero * Estructura principal - La Subestructura * Estribos * Pilares - La Cimentación * Zapatas, Pilotes y * Cajones (caissons) - Elementos de conexión
LA SUPERESTRUCTURA Se denomina superestructura al sistema estructural formado por el tablero y la estructura portante principal. por los elementos estructurales q que soportan, p , en El tablero: está constituido p primera instancia, las cargas de los vehículos para luego transmitir sus efectos a la estructura principal. En los puentes definitivos, en la mayoría de los casos, se utiliza una losa de concreto como el primer elemento portante del tablero. tablero En los puentes modernos de grandes luces, en lugar de la losa de concreto se esta utilizando el denominado tablero ortotrópico que está conformado por planchas de acero reforzados con rigidizadores sobre el que se coloca un material asfáltico de 2” como superficie de rodadura. El tablero ortotrópico de acero es mucho más caro que la losa de concreto, pero por su menor peso, su uso resulta conveniente en los puentes de grandes luces. Por ejemplo, en la construcción del tablero del puente provisional Reque ((1999), ) ubicado en la ciudad de Chiclayo y se utilizó este tipo p de tablero q que permitió disminuir el peso del tablero considerablemente, mejorando la capacidad sismorresistente del puente. En el caso de los puentes provisionales en lugar de la losa de concreto se utiliza el maderamen, que consiste de un sistema estructural en base a tablas dispuestas en dirección transversal y paralelo al eje del puente (huellas), debido a que permite reducir notablemente la carga muerta sobre la estructura principal.
La estructura principal: Se denomina estructura principal, al sistema estructural que soporta el tablero y salva el vano entre apoyos, apoyos transmitiendo las cargas a la subestructura.
LA SUBESTRUCTURA En los puentes convencionales, la subestructura esta formada por los elementos estructurales que soportan la superestructura y que transmiten las cargas a la cimentación. Dependiendo de su ubicación, se denominan estribos o pilares. Los estribos son los apoyos extremos del puente, mientras i t que los l pilares il son los l apoyos intermedios. i t di Sin embargo, en ciertos tipos de puentes la superestructura se une monolíticamente y en consecuencia, la separación entre superestructura y subestructura deja de tener sentido. En este caso el estudio del comportamiento estructural del puente para todos los estados de carga d b de debe d ser realizado li d considerando id d ell puente t como un todo. t d Por P ejemplo, j l en los puentes tipo pórtico y puentes de arco. Los pilares generalmente son de concreto armado y pueden ser de varios tipos: de una sola placa o una sola columna, o dos o mas columnas unidas por una viga transversal. Los pilares de gran altura se hacen en sección h hueca y en los l otros t casos de d sección ió maciza. i L Los estribos t ib pueden d ser concreto ciclópeo o de concreto armado. Se debe añadir que los elementos de la subestructura transmiten las cargas al terreno a través de su cimentación.
LA CIMENTACIÓN. La cimentación puede ser clasificada en dos grupos: Cimentación directa o superficial: Es la que se hace mediante zapatas que transmiten la carga al suelo portante. portante Este tipo de cimentación se utiliza cuando el estrato portante adecuado se encuentra a pequeñas profundidades y a la cual es posible llegar mediante excavaciones. Cimentación profunda: Se utiliza cuando el estrato resistente se encuentra a una profundidad al que no es fácil llegar mediante excavaciones. Las cimentaciones profundas se hacen a través de cajones de cimentación (caissones), pilotaje p j y cimentaciones compuestas p ((cajones j con p pilotes). ) Por ejemplo, en la cimentación de los pilares del puente provisional Reque p q se utilizó el sistema mixto: p pilotes y cajones j de concreto armado.
DISPOSITIVOS DE CONEXIÓN En los puentes, puentes además de los elementos estructurales indicados anteriormente, existen dispositivos de conexión que deben ser analizados y diseñados cuidadosa y generosamente por cuanto se ha observado que su comportamiento es de suma importancia durante sismos, huaycos y cambios de temperaturas A los dispositivos de conexión temperaturas. entre la superestructura y la subestructura se l les d denomina i aparatos t d apoyo que pueden de d ser fijos o móviles.
ACCESORIOS DEL TABLERO Un puente es una obra que permite brindar continuidad a la vía en la cual se encuentra y como tal, el tablero debe satisfacer los requisitos de funcionalidad que se establecen en las Normas y Especificaciones correspondientes; es por ello que por ejemplo, ejemplo en el tablero se deben colocar elementos accesorios como veredas, barandas, etc., que en generall constituyen tit carga muerta t adicional. di i l En los puentes de ferrocarril se coloca balasto, durmientes y rieles; y en los puentes para trenes electrico de transporte rápido masivo los rieles se colocan generalmente sin utilizar balasto, con lo que se reduce el peso muerto y se bajan los costos de mantenimiento.
PUENTES RETICULADOS Son aquellos que se componen de elementos conectados (generalmente rectos) que soportan esfuerzos de tracción, compresión ió o ambos b en caso de cargas di á i dinámicas. Para p propósitos p de análisis, p pueden considerarse uniones articuladas para trabajar con fuerzas axiales.
ESTRUCTURA METALICA TABLERO
ARRIOSTRE CORDON SUPERIOR
LOSA DE CONCRETO
VIGA TRANSVERSAL
RETICU ULADO 2
RETICULADO 1
C
PARTES DE UN RETICULADO
Líneas claras: Tracción Líneas oscuras: Compresión ((en condiciones estáticas))
PUENTES DE ARCO
Son atractivos y se construyen de acero, de concreto armado o pretensado y a veces veces, de madera. Hasta el siglo XIX fue utilizada la piedra labrada labrada.
Este E t ti tipo d de puente t consiste i t en un arco, por donde d d se transmiten las cargas, con apoyos a los extremos del vano. La forma de arco le permite a la estructura p y relativamente distantes sostenerse sobre dos apoyos utilizando materiales que sólo resisten compresión.
El arco es una estructura que reparte las t tensiones i d de manera que se producen d compresiones en todas las partes del arco. Las tracciones y flexiones se evitan o reducen al mínimo, con lo que se consigue que materiales que no resistan tracciones p edan ser puedan usados para la construcción p de este tipo de puentes.
PARTES GENERALES DEL PUENTE TABLERO COLUMNA
ROCA
CLAVE ARCO EJE DEL ARCO
CIMENTACION
ARRANQUE
L = LUZ
El tablero puede estar apoyado o colgado de esta estructura principal, dando origen a distintos tipos de puentes.
ARCO CON TABLERO INTERMEDIO
ARCO CON TABLERO SUPERIOR
TABLERO SUPERIOR: Las cargas se transmiten al arco con elementos a compresión compresión, llamados “montantes” montantes .
TABLERO INFERIOR: Las cargas son ttransmitidas L itid all arco con elementos a tensión, llamados “tirantes o tensores”.
TABLERO INTERMEDIO
Los puentes en arco trabajan transfiriendo el peso propio del puente y las sobrecargas de uso hacia los apoyos mediante la compresión p del arco,, donde se transforma en un empuje horizontal y una carga vertical. Normalmente la esbeltez del arco (relación entre la flecha máxima y la luz) es alta, alta haciendo que los esfuerzos horizontales sean mucho mayores que los verticales. Por este motivo son adecuados en sitios capaces de proporcionar una buena resistencia al empuje horizontal.
Muchos puentes modernos, hechos de acero u hormigón armado armado, poseen forma de arco y tienen parte de su estructura cargada en tensión (tirante), esto posibilita una reducción o eliminación de la fuerza horizontal ejercida contra los apoyos, permitiendo su construcción en suelos más débiles
Arco atirantado: Vista Perspectiva
Puente Bolognesi, Piura
Esta clase de puentes puede ser de: Tímpano de celosía diagonal, cuya rigidez i id queda d asegurada por miembros diagonales colocados entre el cuerpo del arco (intradós) y el tablero Arco de celosía vertical Arco de losa o viga de alma llena.
Los arcos de L d acero pueden d construirse t i con articulación ti l ió doble, en los estribos, o triple, en cuyo caso existe una articulación ti l ió más á situada it d en la l clave l d l arco. Los del L arcos de d celosía vertical pueden estar unidos a los estribos en forma rígida, í id en cuyo caso componen un arco fijo fij no articulado. ti l d Las articulaciones tienen por objeto permitir los pequeños d desplazamientos l i t causados d por las l variaciones i i d carga y de temperatura.
Puente del puerto de Sydney, 1932.
PROCESOS CONSTRUCTIVOS
1 Construcción p por voladizos sucesivos: El más frecuente, se avanza desde los pilares o estribos Presenta numerosas variantes estribos. variantes..
2 Construcción sobre cimbra: Sistema clásico, d d llas d donde dovelas l se apoyan en una estructura t t auxiliar hasta cerrar el arco.
3 Construcción por autocimbra: El arco metálico hace de autocimbra y armadura para el definitivo definitivo.
4 Abatimiento de los semiarcos: Consiste en construir los dos semiarcos en la vertical de los estribos t ib y una vez concluidos l id abatirlos b ti l mediante un giro hasta cerrarlos en clave.
5 Construcción mediante cable colgado: Se construyen torres provisionales en los estribos y se g cables de los cuales p penden las dovelas cuelgan que se empalman hasta cerrar el arco.
6 Traslación horizontal o vertical: Se utiliza para arcos de tablero inferior habitualmente. habitualmente
ETAPAS DE L PROCESO CONSTRUCTIVO MEDIANTE CABLE COLGADO
PUENTES MODULARES Los puentes diseñados con estructuras metálicas táli modulares d l ti tienen ell principio i i i de d la l prefabricada,, p permitiendo un construcción p rápido montaje, lo que lo hace versátil para solucionar eficientemente la interrupción temporal de una vía, de allí es que se le relaciona con construcciones temporales para salvar una emergencia emergencia, denominándoseles estructuras provisionales.
Dentro de este tipo de estructuras, podemos mencionar los siguientes: Bailey y Mabey Compact 200 A Acrow P Panel l Sima de similares características en sus paneles l que lo l constituyen, tit con superficie fi i de rodadura de madera o metálico.
PUENTE MODULAR TIPOS DE PANELES
BAILEY
ACROW
MABEY COMPACT 200
CONFIGURACIONES TIPICAS
PUENTE MODULAR BAILEY CONFIGURACIONES DEL SISTEMA
SS
SSR
DS
DSR
TS
TSR
DD
DDR
PUENTE MODULAR BAILEY
TABLERO DE MADERA
SECCION TRANSVERSAL - STANDARD (TS)
TABLERO DE MADERA
e l e v a cion
SELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA
Para el caso de los puentes tipo Bailey se realiza inicialmente el cálculo de las máximas solicitaciones por flexión y corte, y se compara con los l valores l admisibles d i ibl que figura fi en las l tablas t bl del manual, dependiendo de la superficie de rodadura y la configuración asumida. Recordar que los valores en la tabla están expresadas en t-pie y t, para flexión y corte respectivamente teniendo en cuenta que se trata respectivamente, de la tonelada larga, equivalente a 1018 kg.
EJEMPLO SOBRECARGA HS15-44 L= 24.384 m CARGAS (t) C1= C2= C3=
ESPAC.(m) 2.730 10.910 10.910
R=
24.550
4.270 4.270
BRAZO (m) 0.000 4.270 8.540
139.757
UBICACION DE LA RESULTANTE MEDIDO DESDE LA CARGA C1
ESTADO 1: Sumatoria M en 2 = R1 = R2 =
X=
Sumatoria M en 2 = R1 = R2 =
5 693 m 5.693
Suponiendo Mmax. en C2 281.849 t-m 11.559 t 12.991 t
Sumatoria de M en B ESTADO 2:
CARGAS*BRAZO (t-m) 0.000 46.586 93.171
M=
121.045 t-m
Suponiendo Mmax. en C3 334.264 t-m 13.708 t 10.842 t
Sumatoria de M en C
M=
116.747 t-m
CORTANTE MAXIMO Tomando momentos en 2
V(1) = V(2) =
2.867 t 21.683 t
Tabla 6a Tabla de Momentos Flectores admisibles para carga viva en pies toneladas BAILEY STANDARD - PLATAFORMA DE MADERA Pies 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
S.S. S S 407 400 387 370 347 319 286 249 206 158 105 47 -
D.S. D S 785 759 725 683 633 576 511 439 359 271 176 -
S.S.R. S SR 802 781 754 720 680 634 582 524 460 390 313 -
T.S. T S 1116 1067 1008 940 863 777 681 577 464 342 210 70 -
D.S.R. D SR 1484 1420 1347 1264 1170 1068 956 833 701 560 408 -
D.D. D D 1493 1414 1323 1223 1112 990 858 716 562 398 224 40 -
T.S.R. T SR 2188 2096 1991 1875 1745 1604 1450 1284 1106 915 712 496 -
T.D. T D 2299 2198 2083 1956 1815 1660 1492 1311 1116 907 686 450 202 -
D.T. D T 2583 2430 2263 2081 1885 1674 1448 1218 954 685 402 103 -
D.D.R. D DR 2881 2747 2601 2442 2270 2086 1888 1678 1455 1220 972 700 -
T.T. T T 4025 3827 3610 3375 3122 2849 2557 2257 1918 1567 1203 817 463 -
T.D.R. T DR 4443 4268 4076 3868 3642 3400 3142 2867 2575 2266 1941 1598 1240 855 473 -
Tabla 6B Tabla de Esfuerzos Cortantes en toneladas BAILEY STANDARD - PLATAFORMA DE MADERA Pies 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
S.S. S S 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 -
D.S. D S 55 54 52 51 49 48 46 45 43 42 40 -
S.S.R. S SR 26 25 24 22 21 20 19 18 17 15 14 -
T.S. T S 71 69 67 65 63 62 60 58 56 55 53 51 -
D.S.R. D SR 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 -
D.D. D D 87 85 83 81 79 77 75 73 70 68 66 64 62 -
T.S.R. T SR 65 63 60 58 55 53 50 48 45 43 40 38 36 -
T.D. T D 111 108 105 103 100 97 95 92 89 86 84 -
D.T. D T 71 68 65 62 59 56 53 50 47 45 42 39 -
D.D.R. D DR 74 72 69 67 64 62 59 57 54 51 49 46 -
T.T. T T 97 93 90 86 82 78 75 71 67 63 60 56 52 -
T.D.R. T DR 102 98 95 92 88 85 82 78 75 71 68 65 61 58 55 -
USANDO ESTRUCTURAS METALICAS MODULARES BAILEY DSR De acuerdo al Manual Bayley y Uniflote, se tiene que I Impacto t = 25% M max resist= 1347 tl-pie V max resist= 44 tl Cargas actuantes M act.= act = 1 25*121 045= 1.25*121.045= V act.= 1.25*21.683= M res = V res =
417.96 t-m 44.79 t
equivalente a equivalente q a
417.96 t-m 44.79 t
M act = V act =
151.31 t-m 27.10 t
151.31 151 31 t-m tm 27.10 t > >
Para el caso de estructuras tipo Mabey C Compact t 200, 200 en los l manuales l ya se g necesaria p para indica la configuración diferentes longitudes, dependiendo del tipo de camión de diseño seleccionado, seleccionado y del tipo de superficie de rodadura.
Se deberá tener en cuenta las d f deformaciones i d la de l estructura t t por peso propio p p y p por la acción de la carga g de diseño, las mismas que dependerán de la intensidad de tráfico que soporta el puente, como el tiempo de servicio de la estructura.
Para el caso de empleo de estas estructuras t t en tramos t continuos ti o q especiales, p , se deberá verificar esquemas la capacidad admisible de los diferentes elementos para las nuevas solicitaciones a la cual se verá expuesta el puente durante su vida útil, incluso durante el montaje del mismo. mismo
Otra de las modalidades del empleo de los paneles de estos puentes modulares son como apoyos temporales para el montaje d de estructuras t t mayores, resultando lt d económico su utilización yya q que son reutillizables. Para este caso, es necesario tomar en cuenta lo expreso en los manuales de los diferentes fuerzas admisibles dependiendo de la forma de empleo de cada uno de ellos.
PUENTES CON ESTRUCTURAS METÁLICAS MODULARES PROVISIONALES
P Puente t km k 6 +920 920 - Amazonas A
P Puente t Taruca T - Huánuco H á
P Puente t Taruca T - Huánuco H á
P Puente t Huiquiza H i i - Puno P
P Puente t Chi Chinquini i i - Puno P
P Puente t Lunahuaná L h á - Lima Li
P Puente t Arica A i - Puno P
P Puente t Arica A i - Puno P
Apoyo provisional Puente Reque Lambayeque
Puente Tsejjtzy - Huancavelica
P Puente t San S Miguel Mi l - Piura Pi
P Puente t San S Miguel Mi l - Piura Pi
PROYECTO RECONSTRUCCIÓN DEL PUENTE NIEVA Y ACCESOS
ANTECEDENTES
El P Puente t Ni Nieva que colapsó l ó en ell periodo i d d de lllluvias i d dell año 1994, presentaba las siguientes características: Ti Tipo: E t t Estructura metálica táli modular d l ti tipo B Bailey il (DSR) Longitud: 144 00 m (4 tramos de 36 m 144.00 simplemente apoyados) No de vías: 1 Ancho de vía: 3.15 m Sup Rodadura: Tablero metálico Sup. Subestructura: Pórticos metálicos constituidos por dos pilotes tubulares metálicos de 0 0.30 30 m de diámetro y viga cabezal. S/C diseño: 20 t (aprox (aprox.))
CARACTERISTICAS DEL PROYECTO
Tipo:
Estructura metálica colgante con fiadores descargados y con viga de rigidez paneles tipo p Mabey y metálica en base a p Compact 200 DSR Longitud: 155.448 m No de vías: 1 Ancho de vía: 4.20 m Sup. Rodadura: Tablero metálico Subestructura: Torres metálicas articuladas, apoyadas sobre estribos de concreto armado cimentados a una profundidad de 12 m a través de caissones abiertos y cámaras de anclaje de concreto. S/C diseño: di ñ HS20 (32 t)
Puente Nieva - Amazonas
155.448m
40.00m
40.00m
230.000
220.000
210.000
200.000
190.000
180.000
170.000
204.712
205.187
205.662
206.138
-4.752%en 50.000 m
206.577
206.945
207.242
207.506
207.316
207.116
206.894
206.652
206.389
206.105
-1.900%en 23.286 m
207.468
Pendiente Variable en 155.448 m
+1.900%en 51.266 m
155.448m 155.448m 155.448m 155.448m 155.448m
Proyecto: Reconstrucción Puente Nieva y Accesos
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
