DISEÑO DE UN PUENTE (CONSIDERACIONES) Cuando visualizamos una estructura de puente con geometría compleja que comunica a dos grandes ciudades, que cubre grandes ríos o que se utiliza como medio de paso de mares o grandes acantilados, inmediatamente pensamos que son proyectos y obras “imposibles”, es decir, proyectos y obras que son destinadas para cierta élite de profesionales a la cual no pertenecemos. Y es que para estos casos pudiese haber algo de cierto en dicha aseveración, debido a que diseñar un puente de tales características pudiese requerir de una gran experiencia y además muy especializada. Sin embargo, en nuestra vida cotidiana vemos puentes viales y peatonales de importancia nada despreciable que se utilizan para cubrir luces importantes en autopistas, carreteras, cauces de ríos, laderas, taludes, entre otros, y siempre las incógnitas son las mismas:
¿Cómo se consideran las cargas en un puente? Ante la gran variedad de vehículos vehículos automotores que que existen en el mercado, ¿cómo se pueden estimar las cargas vehiculares más probables sobre un puente?
¿Cuándo se decide que un puente se construya de concreto armado o de acero estructural?
¿Cómo se consideran las acciones excepcionales, tales como el sismo, viento u otras?
¿Cómo se estiman las cargas de colisión de vehículos, frenado, impactos, etc.? o incluso en un puente que se concibe para cubrir cursos de agua, ¿será que debo imaginarme que en algún momento se pueda dar la colisión de un barco contra el puente?
¿Este tipo de cargas tan particulares tienen alguna influencia en el diseño de las cimentaciones? Vamos entonces a responder cada una de estas incógnitas con la finalidad de que podamos visualizar el proyecto y construcción de puentes como una actividad que podemos desarrollar perfectamente haciendo uso de la normativa vigente y de las herramientas tecnológicas disponibles actualmente en el mercado.
Ante la gran variedad de vehículos automotores que existen en el mercado, ¿cómo se pueden estimar las cargas vehiculares más probables sobre un puente? La norma AASHTO LRFD Bridge ha logrado solucionar el problema de la variabilidad de acciones vehiculares mediante la tipificación de trenes de carga. Los trenes de carga se generan a partir de combinación de vehículos normalizados y cargas distribuidas por trochas. Estos vehículos normalizados poseen ejes de carga simples y tándem, que se combinan con cargas uniformemente distribuidas con la final de obtener el tren de carga correspondiente, destaca en la práctica de diseño el uso del tren designado como HL-93. La AASHTO propone el uso de modelos de vehículos estandarizados con ejes de
ubicación
variable,
que
permiten
analizar
la
estructura
mediante
movimientos de carga para obtener las envolventes máximas para cada tipo de solicitación. La carga variable vehicular en puentes consistirá entonces de una combinación de:
Camión de diseño o tándem de diseño.
Carril o trocha de diseño.
Camión de Diseño AASHTO LRFD Bridge.
Tándem de Diseño AASHTO LRFD Bridge.
El carril o trocha de diseño estará compuesto por una carga de
1000 Kgf/m
distribuido uniformemente en la dirección longitudinal de la calzada. Transversalmente, se asumirá la carga uniformemente distribuida sobre un ancho de 3 metros. El efecto de la fuerza extrema se tomará como el máximo valor de los siguientes:
Tándem de diseño + Carga del carril de diseño.
Camión de diseño con eje variable + Carga del carril de diseño. Las cargas vehiculares son modificadas al considerar los efectos adicionales típicos de cargas móviles, entre las que destacan:
Cargas de impacto vertical y horizontal, derivadas de la operación de vehículos, rugosidad de superficies de rodamiento y variación en la velocidad de los vehículos, entre otros.
Cargas horizontales de frenado que se consideran críticas en puntos de unión entre tableros, cambios de pendiente del puente y juntas de tableros.
Cargas horizontales debidas a colisión entre vehículos.
Cargas debidas a fuerzas centrifugas que se generan en las curvaturas de puentes esviados, cuya magnitud depende del radio de curvatura existente en planta. Actualmente se dispone en el mercado de software de última generación que permiten incorporar estos trenes de carga normalizados, analizar todos los movimientos de carga posibles, considerar las diferentes cargas de impacto y frenado y obtener las máximas solicitaciones envolventes en tableros y apoyos, con la finalidad de efectuar el diseño estructural de los componentes estructurales. Este proceso que anteriormente consumía un tiempo de análisis importante, ya actualmente se efectúa de forma muy rápida mediante el uso de estas herramientas de cálculo que además permiten obtener los resultados con un excelente nivel de precisión. Destaca el software CSI Bridge y Midas por simplemente mencionar algunos.
En un puente que se concibe para cubrir cursos de agua, ¿será que debo imaginarme que en algún momento se pueda dar la colisión de un barco contra el puente? Es importante destacar que el diseño de puentes que cubren cursos de agua, debe estar respaldado por un estudio hidrológico e hidráulico que indique cuales son los niveles máximos y mínimos de agua que pudiesen existir en
diferentes épocas del año, y que determinan la ubicación de los componentes estructurales del puente y de los diferentes mecanismos de protección. Cuando se diseñan puentes que atraviesan cursos de agua por donde se tiene previsto el paso de embarcaciones, la normativa AASHTO indica que se debe seleccionar
un
buque
de
diseño
que
será
seleccionado
según
las
características del puente, del buque, del curso de agua y de la clasificación operacional del puente. En este proceso de diseño se estima una “frecuencia anual de colapso debido a buques” y se debe garantizar que dicha frecuencia de colapso cumpla con el criterio de aceptación para dicho componente (pila o estribo). La norma AASHTO permite estimar la velocidad de colisión de diseño y la fuerza de impacto del barco sobre el pilar o columna, en función de estos parámetros es posible diseñar las protecciones y evaluar las consideraciones de seguridad antes estas acciones.
¿Cómo se decide que un puente se construya en concreto armado o en acero estructural? Esta es una pregunta que muchas veces nos hacemos al recorrer ciertas ciudades donde conseguimos diferentes geometrías y tipologías de puentes concebidas con diferentes materiales constructivos, e incluso se pueden observar soluciones muy diferentes para luces similares. En algunas localidades, el aspecto económico pudiese fijar el uso de un determinado material constructivo, es decir, en algunos países el costo de fabricación del concreto es menor que el del acero estructural, sin embargo, en la mayoría de los casos el uso de estructuras de acero pudiese implicar una mayor velocidad de construcción, versatilidad y rapidez en el montaje, que a su vez pudiese traducirse en menores costos y cumpliendo además con el requisito de poner en uso el puente de forma mucho más rápida. Esto pudiese ser un criterio de selección que en muchos casos influye fuertemente en la escogencia del material constructivo. En la mayoría de los países se utiliza el concreto armado y el concreto precomprimido como materiales constructivos típicos de puentes con luces de vanos que oscilan entre 20 m y 50 m, que son típicas de puentes urbanos con uso vial o peatonal. Ahora bien, por tratarse de estructuras de grandes luces, el peso del puente determina el uso de miembros de dimensiones importantes, y por lo tanto a partir de luces mayores a 50 metros el uso del acero como material constructivo permite obtener menores dimensiones de los miembros y controlar la dimensiones y profundidad de las cimentaciones. Esto no quiere decir que no se puedan hacer puentes de concreto de grandes luces, simplemente que para estos casos se deben utilizar concretos precomprimidos
de muy alta resistencia f\\\\\\\’c, así como, utilizar geometrías y secciones que controlen el dimensionado de las secciones. Los puentes con secciones longitudinales tipo arco, columnas huecas o con tensores para sostener los tableros, son los predilectos en estos casos.
Puente en concreto armado y precomprimido.
