CARRERA DE INGENIERIA CIVIL
PUENTES
PUENTES ATIRANTADOS
LUIS MANUEL CADENA
01 DE JULIO DE 2014
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Contenido 1.- INTRODUCCION ...................................................................................................................................... 2 2.- GEOMETRIA DEL PUENTE ........................................................................................................................ 3 2.1.- Superestructura ............................................................................................................................... 3 2.1.1. Tirantes.- .................................................................................................................................... 3 2.1.2. Las torres.- ................................................................................................................................. 3 2.1.3. Tablero.-..................................................................................................................................... 3 2.2.- Infraestructura................................................................................................................................. 3 2.2.1. Pilas:........................................................................................................................................... 3 2.2.2 Vigas longitudinales y transversales ............................................................................................. 3 2.2.3. Tablero: ...................................................................................................................................... 4 2.2.4. Apoyo:........................................................................................................................................ 4 2.2.5. Estribos ...................................................................................................................................... 4 3.- MATERIALES ........................................................................................................................................... 4 1. Para las fundaciones............................................................................................................................. 4 2. Para las pilas y estribos....................................................................................................................... 4 3. Para la superestructura. ....................................................................................................................... 5 4. Para los elementos intermedios. .......................................................................................................... 5 5. Anclajes ............................................................................................................................................... 5 4.- MÉTODOS CONSTRUCTIVOS ................................................................................................................... 5 4.1. CIMBRADO.-...................................................................................................................................... 5 4.2. VOLADIZOS SUCESIVOS.- ................................................................................................................... 5 4.3 LANZAMIENTO.- ................................................................................................................................. 6 5.- METODOLOGÍA DE DISEÑO ..................................................................................................................... 6 6.- REFERENCIAS .........................................................................................................................................11
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1.- INTRODUCCION En términos de ingeniería civil, se denomina puente atirantado a aquel cuyo tablero está suspendido de uno o varios pilones centrales mediante obenques. Se distingue de los puentes colgantes porque en estos los cables principales se disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables secundarios verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente a tracción, y los atirantados tienen partes a tracción y otras a compresión. También hay variantes de estos puentes en que los tirantes van desde el tablero al pilar situado a un lado, y desde este, al suelo, o bien, como el Puente del Alamillo, estar unidos al pilar solo Los puentes atirantados ocupan un punto medio entre los puentes de acero de contrapeso y los colgantes. Un puente colgante, requiere más cables (y más acero), y uno de contrapeso, más acero para su construcción. Aunque desde el punto de vista estructural serían puentes que trabajan en modo contrapeso. Este tipo de puentes se empezó a usar a mediados del S XX, y sustituyeron a los puentes en ménsula.
Este tipo de puentes se usa en vanos medianos y grandes, como en estrechos, aunque para vanos mayores de un kilómetro, en la actualidad se usan puentes colgantes solamente. Este tipo de puentes también se usa para pequeñas pasarelas peatonales. Una de las características de estos puentes es el número de pilones, hay puentes con uno solo, o con varios, lo más típico es estar construidos con un par de torres cerca de los extremos. También se caracterizan por la forma de los pilones (forma de H, de Y invertida, de A, de A cerrada por la parte inferior (diamante), una sola pila...), y si los tirantes están sujetos a ambos lados de la pista, o si la sujetan desde el centro (dos planos de atirantamiento, o uno s olo respectivamente). También es característico la disposición de los tirantes, ya que puede ser paralelos, o convergentes (radiales) respecto a la zona donde se sujetan en el pilón. También pueden tener un gran número de tirantes próximos, o pocos y separados, como en los diseños más antiguos. Algunos puentes tienen los pilares los mismos tirantes en el vano central del puente que en los de los extremos, otros, tienen más cables en el vano del centro que en los vanos extremos, también conocidos como vanos de compensación. Los puentes atirantados, sobre todo si tienen varias torres, pueden parecer muy parecidos a los colgantes, pero no lo son. En la construcción, en un puente colgante se disponen muchos cables de pequeño diámetro entre los pilares y los extremos donde se anclan al suelo o un contrapeso, estos cables, son la estructura primaria de carga del puente. Después, antes de montar la pista, se suspenden cables del cable principal, y más tarde se monta esta, sosteniéndola de dichos cables, para ello, la pista se eleva en secciones separadas y se instala. Las cargas de la pista se transmiten a los cables, y de este al cable horizontal, y luego, a los pilares, los contrapesos de los extremos, reciben una gran fuerza horizontal. En los puentes atirantados, las cargas, se transmiten al pilar central a través de los cables, pero al estar inclinados, también se transmiten por la propia sección, hasta el pilar, donde se compensa con la fuerza recibida por el otro lado, no con un contrapeso en el extremo, por ello, no requieren anclajes en los extremos. La acción verdadera de un puente atirantado es diferente de la de un puente colgante. En contraste con los cables principales un poco flexibles de este último, los cables tensos, inclinados, de la estructura atirantada suministran puntos de apoyo un poco estables en la luz principal. De esta manera se reducen las deflexiones.
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2.- GEOMETRIA DEL PUENTE
(1 – pilón de arco; 2 – sistema de cables; 3 – vigas de soporte en los tramos atirantado y entrevigado; 4 – pilares de los tramos entrevigados; 5 – Soportes del pilón de arco)
2.1.- Superestructura Los elementos fundamentales de la estructura resistente del puente atirantado son los tirantes, la s torres (el pilón) y el tablero; los tirantes son cables rectos que atirantan el tablero, proporcionándoles una serie de apoyos intermedios más o menos rígidos. ; Las torres (pilón) nos sirve para elevar el anclaje fijo de los tirantes, de forma que introduzcan fuerzas verticales en el tablero para crear los pseudo-apoyos; también el tablero interviene en el esquema resistente, porque los tirantes, al ser inclinados, introducen fuerzas horizontales que se deben equilibrar a través de él. Por todo ello, los tres elementos, tirantes, tablero y torres, constituyen la estructura resistente básica del puente atirantado.
2.1.1. Tirantes.- Dentro de los tirantes existen diferentes formas de distribuirlos en los puentes atirantados los cuales son: Tirantes paralelos (arpa), semi-paralelos (semi-arpa), radiales (abanico). 2.1.2. Las torres.- son la parte más importante dentro de la estructura de los puentes atirantados, ya que estos son los que van a soportar toda la carga que se ha de distribuir del tablero a los cables y estos al pilón o torres. Longitudinalmente pueden tener dos torres y ser simétricos, o una sola torre desde donde se atiranta todo el vano principal. Dentro de las torres existen diferentes tipos según su forma, las cuales son: A prolongada superiormente, A cerrada, A invertida, pila aporticada, pilas gemelas, pilón de borde, pilón tipo diamante, entre otras.
2.1.3. Tablero.- es muy importante dentro del esquema resistente básico de la estructura del puente atirantado ya que va a resistir las componentes horizontales que le transmiten los tirantes. Estas componentes generalmente se equilibran en el propio tablero porque su resultante, igual que en la torre, debe ser nula. 2.2.- Infraestructura 2.2.1. Pilas: son los apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos. Deben soportar la carga permanentemente y sobrecargas sin asientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales (viento, riadas, etc.). 2.2.2 Vigas longitudinales y transversales son los elementos que permiten salvar el vano, pudiendo tener una gran variedad de formas como con las vigas rectas, arcos, pórticos, reticulares, vigas Vierendeel etc.
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2.2.3. Tablero: soporta directamente las cargas dinámicas (tráfico) y por medio de las armaduras transmite sus tensiones a estribos y pilas, que, a su vez, las hacen llegar a los cimentos, donde se disipan en la roca o en el terreno circundante. Sobre el tablero y para dar continuidad a la rasante de la vía viene la capa de rodadura. Los tableros van complementados por los bordillos que son el límite del ancho libre de calzada y su misión es la de evitar que los vehículos suban a las aceras que van destinadas al paso peatonal y finalmente al borde van los postes y pasamanos. 2.2.4. Apoyo: son los elementos a través de los cuales el tablero transmite los acciones que le solicitan a las pilas y/o estribos. El más común de los apoyos es el neopreno zunchado, está constituido por un caucho sintético que lleva intercaladas unas chapas de acero completamente recubiertas por el material elastómero. Tienen impedido el movimiento vertical.
2.2.5. Estribos: situados en los extremos del puente sostienen los terraplenes que conducen al puente. A diferencia de las pilas los estribos reciben además de la superestructura el empuje de las tierras de los terraplenes de acceso al puente, en consecuencia trabajan también como muros de contención. Los estribos están compuestos por un muro frontal que soporta el tablero y muros en vuelta o muros-aletas que sirven para la contención del terreno.
3.- MATERIALES Materiales para las diferentes partes que conforman el puente
1. Para las fundaciones.
Hormigón Simple Hormigón Armado Hormigón Ciclópeo Mampostería de piedra Mampostería de ladrillo
Es muy común que estos elementos sean ejecutados sobre pilotes debido a los grandes pesos que estos soportan y teniendo en cuenta que no siempre las condiciones del terreno serán las más optimas.
2. Para las pilas y estribos.
Hormigón Ciclópeo. Mampostería de Piedra. Mampostería de Ladrillo.
Estos tres primeros pueden ser usados en casos en los cuales las alturas no sean grandes, de no ser así se podrán usar:
Hormigón Armado. Estructuras Metálicas. En caso de tener obras temporales estas se podrán construir con madera y / o placas metálicas.
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3. Para la superestructura.
Hormigón Armado. Hormigón Pretensado o Postensado. Acero Madera
4. Para los elementos intermedios.
Cartón asfáltico Plomo Acero Neopreno Neoflón
5. Anclajes Los sistemas de atirantamiento, son el resultado final de un exhaustivo análisis basado en la experiencia, profesionalismo y diseño de acuerdo a las necesidades para la instalación de tirantes en puentes. En el campo del diseño, los anclajes para tirantes, son compatibles con los torones desnudos, galvanizados y con los recubiertos con resina epóxica y poliester. Deben estar capacitados para sobrepasar los rangos de oscilación de las tensiones, las rotaciones y los criterios de estanqueidad contemplados en las recomendaciones internacionales vigentes. Incluso, los anclajes, deben adaptarse a tableros de acero o concreto, a las pilas y/o estribos. Los tirantes, se colocan en obra, de forma que se facilita su acceso a ellos, simplificándose cualquier operación de reposición de partes o torones en cualquier momento gracias a su composición. Así mismo, facilitan la inspección misma del anclaje con una instalación en construcción muy sencilla. El tensado de los cables, se realiza mediante gatos ligeros, ya sea unitarios, multitorón, o de forma combinada, reduciendo con esto el número de operaciones, incluyendo aquellas relacionadas a nivelaciones de tableros y control de tensiones. Los puentes atirantados necesitan soluciones a la medida y el sistema mostrado trabaja en ese sentido, colaborando con las necesidades tanto en las etapas de diseño, como de construcción y mantenimiento, adaptándose a las características y dimensiones que estos requieran.
4.- MÉTODOS CONSTRUCTIVOS Los principales métodos de construcción de puentes atirantados son los siguientes:
Cimbrado Voladizos Sucesivos Lanzamientos
4.1. CIMBRADO.- En zonas de baja altura del tablero respecto al terreno, presentando este una capacidad portante razonable, así como la no existencia de carreteras, vías de ferrocarril o cursos fluviales importantes es posible plantear la construcción del tablero mediante cimbrado general y el posterior tesado de cables de forma global. Este método proporciona las ventajas de evitar los problemas de flexibilidad del tablero durante la construcción sucesiva y los consecuentes efectos diferidos, permitiendo además el trabajo en mejores condiciones de seguridad y de acceso de maquinaria. También se consigue reducir el número de operaciones de tesado a realizar. 4.2. VOLADIZOS SUCESIVOS.- Es el método más generalizado. En el es puente es construido mediante el hormigonado progresivo de dovelas con la ayuda de carros de avance, y unidos una vez
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endurecidos mediante pretensado a la zona ya construida. Un alternativa para tableros de hormigón o la técnica general en tableros metálicos o mixtos es el empleo de dovelas prefabricadas, transportadas y colocadas en posición y posteriormente unidas nuevamente mediante pretensado o soldadura en los casos metálicos. Es la técnica más versátil, permitiendo adaptarse a cualquier longitud de vano y altura del tablero respecto al terreno, aunque está afectada por la posibilidad de mayores errores de ejecución, así como por la flexibilidad del tablero y los efectos diferidos.
4.3 LANZAMIENTO.- Se emplea fundamentalmente en la contrucción de los vanos de acceso al vano principal en el caso de disponer estos de pilas con una separación adecuada y en los vanos principales mediante la ayuda de apoyos provisionales y sistemas de atirantado en casos de luces elevadas. Se basa en la construcción por tramos en los márgenes del puente, en los que es posible una mayor industrialización y con ello mejores calidades y reducciones en las desviaciones, y el posterior empuje progresivo de los tramos mediante el empleo de gatos. Un ejemplo claro es el viaducto de Milleau, en el que se empujó el tablero y las propias torres de atirantado con el uso auxiliar de apoyos provisionales. Un ejemplo claro es el hecho de considerar en el cálculo de forma separada el peso propio y la carga muerta a la hora de introducir la carga en los tirantes. En caso de proceder a tesar los tirantes con su carga completa para cargas permanentes y no estar dispuesta la carga muerta, existirá un descentramiento de cargas que inducirá momentos flectores en tablero y posiblemente en las pilas, en función de la vi nculación de los vanos laterales, y cuyo efecto en deformaciones se verá aumentado por fluencia.
5.- METODOLOGÍA DE DISEÑO Muchos estudios se han realizado para el dimensionamiento eficiente de puentes atirantados, entre ellos se encuentra Como (1985), Materola (1994), Cámara (2011), entre otros. Recomendaciones de los trabajos antes mencionados serán mostrados a continuaci ón, las cuales usaremos como guía para definir las dimensiones. En la figura 3.6 se muestra el esquema utilizado en Cámara (2011) para representar las dimensiones de un puente atirantado, dicha nomenclatura será utilizada. La altura total de la torre H tot consta de dos partes: la altura comprendida entre la cimentación y el tablero (H i ) y la altura comprendida desde el tablero hasta la parte superior de la torre (H). La altura H i se encuentra por las condiciones naturales del terreno y del proyecto vial del puente.
En el trabajo realizado por Como (1985) se recomienda valores para la relación altura (H) y la longitud del vano principal (Ls) y la relación entre el vano secundario (Ls) y el vano principal (Lp) como se muestra a continuación:
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Debido a la tendencia de realizar proyectos de mayor impacto visual y estético es común realizar torres de mayor altura. Manterola (1994) obtuvo los parámetros especificados en la relación de Como (1985) en puentes ya construidos para juntarlos en una tabla y así determinar la variación de esta relación
Hay que tener en consideración que, si bien la altura Hi es dada por condiciones primarias del proyecto, ésta afectará de manera directa al centro de gravedad de la torre. Para el enfoque de éste trabajo las afectaciones y parámetros aerodinámicos no serán considerados pero es importante notar que los mismo son de principal preocupación para un diseñador a la hora de tener determinada las dimensiones de la torre. Pero el autor Alfredo Casado recomienda que para evitar éste inconveniente expuesto anteriormente se puede tener una relación de Hi = 0.5H la cual usaremos. La dimensión HA es la altura comprendida entre los anclajes de los cables de la torre. De acuerdo a casado (2011), HA debe ser reducida al mínimo para obtener mayor efectividad en el trabajo de los cables, por lo cual la distancia entre los anclajes de los cables debe reducirse al mínimo también. Debido a la instalación de éstos anclajes durante el proceso constructivo la distancia mínima entre anclajes de torre ( ΔT ) serían dos metros según el mismo autor. Para la determinación de esta distancia HA Alfredo Casado (2011) nos propone la siguiente fórmula (los valores se ingresan en metros):
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Para calcular la altura del pilón, es necesario tomar en cuenta varios parámetros como son: la altura mínima de un vehículo tipo, longitud libre del tablero, el número de cables que serán anclados al pilón y la longitud entre pseudos – apoyos, es decir entre cable y cable.
Los cables de atirantamiento son los que van conectados desde las torres o el pilón hacia el tablero, estos cumplen la función principal de la estructura la cual es sostener al tablero donde serán repartidas las cargas según sea la función que este cumpla.
Los cables de retención que trabajan como sistema de atirantamiento son los que han de ser colocados para evitar los movimientos en la cabeza del pilón. Estos tirantes irán anclados a puntos fijos (anclajes al suelo). Al momento de trabajar con los cables, es necesario definir el número de tirantes de cada haz, o lo que es lo mismo, la distancia entre los puntos de anclaje de los tirantes en el tablero. En el puente atirantado el número de tirantes es de 10 a cada lado del tablero, de forma que la flexión que se puede llamar local, que es la debida a la distancia entre los apoyos generados por los tirantes, es insignificante respecto a la flexión que se produce por la deformación general de la estructura.
Los cables de retención que trabajan como sistema de atirantamiento son los que han de ser colocados para evitar los movimientos en la cabeza del pilón. Estos tirantes irán anclados a puntos fijos (anclajes al suelo). Al momento de trabajar con los cables, es necesario definir el número de tirantes de cada haz, o lo que es lo mismo, la distancia entre los puntos de anclaje de los tirantes en el tablero. En el puente atirantado el número de tirantes es de 10 a cada lado del tablero, de forma que la flexión que se puede llamar local, que es la debida a la distancia entre los apoyos generados por los tirantes, es insignificante respecto a la flexión que se produce por la deformación general de la estructura. Con estos datos nombrados anteriormente se puede realizar un modelo con el p rograma “SAP 2000” y de esta manera obtener resultados que indiquen como está trabajando la estructura y posibles problemas que puedan encontrarse.
TABLEROS Un método de análisis aproximado en el cual el tablero se subdivide en fajas perpendiculares a los componentes de apoyo se considerará aceptable para los tableros, excepto para aquellos tableros formados por emparrillados con sus vanos total o parcialmente llenos, para los cuales se deberán aplicar otros métodos de cálculo. Si se utiliza el método de las fajas, el momento extremo positivo de cualquier panel de tablero entre vigas se considerará actuando en todas las regiones de momento positivo. De manera similar, el momento extremo negativo de cualquier viga se considerará actuando en todas las regiones de momento negativo. Dependiendo del tipo de tablero, para el modelado y diseño en la dirección secundaria se puede utilizar una de las siguientes aproximaciones: Diseñar la faja secundaria de manera similar a la faja primaria, con todos los estados límites aplicables. Determinar los requisitos de resistencia en la dirección secundaria como un porcentaje de los requisitos correspondientes a la dirección primaria, es decir, aplicar el enfoque tradicional para losas de hormigón armado de las ediciones anteriores de las Especificaciones Estándares AASHTO). Especificar requisitos estructurales y/o geométricos mínimos para la dirección secundaria independientemente de las solicitaciones reales, como se hace para la mayoría de los tableros de madera. An cho d e las Fajas Equivalentes Interiores
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El ancho de la faja equivalente de un tablero se puede tomar como se especifica en la Tabla 1. Si el tablero se extiende fundamentalmente en la dirección paralela al tráfico, las fajas que soportan una carga de eje no se deberán tomar mayores que 1000 mm en el caso de emparrillados abiertos, y no mayores que 3600 mm para todos los demás tableros en los cuales se investiga carga en múltiples carriles. Para los vuelos de tableros, cuando sea aplicable, se pueden utilizar los requisitos del Artículo 3.6.1.3.4 en lugar del ancho de faja especificado en la Tabla 1 para vuelos de tableros. Las fajas equivalentes para tableros que se extienden fundamentalmente en la dirección transversal no estarán sujetas a limitaciones de ancho. En la Tabla 1 se utiliza la siguiente simbología: = separación de los elementos de apoyo (mm) = altura del tablero (mm) L = longitud de tramo del tablero (mm) P = carga de eje (N) Sb = separación de las barras del emparrillado (mm) +M = momento positivo −M = momento negativo X = distancia entre la carga y el punto de apoyo (mm) S h
1.1. CABLES En los puentes atirantados existen dos elementos estructurales que se consideran críticos: los tirantes y los elementos de anclaje de los tirantes. El desarrollo tecnológico en torno a estos dispositivos es quizás lo más determinante cuando se habla de puentes atirantados. Desde una visión general, para su diseño hay dos objetivos fundamentales que se persiguen: en primer lugar, asegurar que las tensiones de los cables se pueden controlar durante el proceso constructivo y mantenerlos durante su vida en servicio. En segundo lugar está asegurar la integridad de los cables y los elementos de sujeción para que factores ambientales y externos no afecten su resistencia o capacidad estructural. En este último caso, uno de los principales problemas es la corrosión. En cuanto a los tirantes, se utilizan aceros especiales de muy alta resistencia y se configuran por barras paralelas (acopladas y no acopladas), alambres paralelos, tendones, y rollos compactos de alambres. En la tabla 1.3 se presentan algunas configuraciones típicas, con sus características.
1.2. ANCLAJES En cuanto los elementos de anclaje y en general son diseños patentados cuyo fabricante establece los procedimientos de tensado de tal forma que se controle la tensión final y el perfil del tablero. Evidentemente, el diseño del sistema de anclaje depende del tipo de tirantes utilizados; en la figura 1.27 se muestran tres tipos diferentes de sistemas para barras, alambres y tendones.
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a) barras, b) alambres y c) tendones. Para los sistemas de protección contra la corrosión existen varios procesos que van desde el galvanizado y la protección catódica, hasta recubrimientos diversos y el uso de pastas que protegen al acero. En cuanto a la protección contra daños externos, generalmente se cubren los cables contra daños por impactos por el tráfico o daños por vandalismo; es por esto último que resulta común recubrirlos con tubos o cubiertas especiales, principalmente en su sección inferior.
MÉTODOS DE DEFINICIÓN DE CARGAS DE TIRANTES Debido al alto grado de hiperestatismo presente en los puentes atirantados y a su flexibilidad, la introducción de carga en un tirante afecta a la carga presente en el resto de tirantes y con ello a la distribución de esfuerzos en la estructura. En base a ello los métodos de cálculo de cargas en tirantes, independientemente del objetivo final en cuanto a esfuerzos, deformaciones u optimización de energía o errores, incorporan esta interacción entre tirantes mediante de matrices de rigidez condensadas que recogen el efecto de la variación unitaria de tensión en cada tirante en la magnitud objetivo en cada punto de control, y mediante la resolución de un sistema de ecuaciones lineal, obtiene la combinación de cargas necesaria para alcanzar el objetivo buscado.
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6.- REFERENCIAS http://puentes.galeon.com/tipos/pontstirante.htm http://ingecruz.blogspot.com/2008/10/puente-atirantado.html http://repositorio.ucsg.edu.ec/bitstream/123456789/1240/1/T-UCSG-PRE-ING-IC-49.pdf http://oa.upm.es/3770/1/TESIS_MASTER_DIEGO_RUBIO_PEIROTEN.pdf ”Análisis y Diseño Estático y Dinámico de Puentes Atirantados”, Tesis de Grado, Marco Leonardo Tapia Mera. “Cable Stayed Bridges”, Theory and Design, M.S. Troitsky, DSc 1977 “Análisis y Diseño de Puentes Colgantes y Atirantados”, Artículo: Ing. Pablo Caiza. M.Sc. Métodos constructivos de puentes atirantados – María Fernanda Quintana Ytza (memoria de trabajos de difusión científica y técnica (2009) http://caminos.udc.es/info/asignaturas/622/contenido_publico/recursos/P2_13_Proceso.pdf
DISEÑO GENERAL DE PUENTES ATIRANTADOS (Marlon Herrera Cevallos) CEINCI – 2007
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