Diseño General de Puentes Atirantados

DISEÑO GENERAL DE PUENTES ATIRANTADOS

CEINCI – 2007

DISEÑO GENERAL DE PUENTES ATIRANTADOS Marlon Herrera Cevallos Carrera de Ingeniería Civil, ESPE [email protected] RESUMEN Para el diseño general de Puentes Atirantados es importante realizar estudios sobre los diferentes tipos que existen en el medio y conocer la manera en que estos actúan. El analizar elementos básicos y sus comportamientos es el primer paso, estos elementos a ser analizados son: el tablero, los pilones, cables, cables, cimentación y anclajes. Como segundo paso se puede analizar cómo actúan los elementos bajo las diferentes cargas por medio del programa SAP 2000 y con esto comparar resultados y sacar conclusiones de los problemas y soluciones que se dan en este tipo de estructuras.

Palabras clave: Puente atirantado, tablero, pilones, cables, cimentación, anclajes. 1. INTRODUCCIÓN Este artículo se desarrolla en base al estudio de los puentes que existen en el medio, tanto a nivel internacional como a nivel nacional, es decir, en el Ecuador, además es necesario conocer sobre los elementos y materiales que se utilizan para la realización de este tipo de estructuras, cómo estos materiales van a actuar bajo cargas de peso propio, barandas y/o pasamanos, aceras, superficie de rodadura, vehículos y peatones, sin dejar de lado a cargas extremas muy importantes que suelen causar daños catastróficos como son sismos, vientos, variaciones de temperatura y cargas al momento de realizar la construcción. Identificar proveedores que existen en el medio medio es de suma suma importancia ya que de estos depende las especificaciones técnicas del material a ser usado para analizar los efectos que van a causar las fuerzas anteriormente mencionadas al trabajar con estos en conjunto.

PUENTES ATIRANTADOS Dentro de la ingeniería civil, se denomina puente atirantado a aquel cuyo tablero se encuentra suspendido de uno o varios pilones centrales mediante un sistema de cables (torones). Estos se distinguen 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, mientras que los puentes atirantados tienen partes a tracción y otras a compresión. Existen diferentes tipos de colocación de los tirantes dentro de estos puentes ya que estos van desde el tablero al pilar situado a un lado, y desde este, al suelo, o bien, como el Puente del Alamillo, están unidos directamente al único pilar y anclados al suelo.

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Puente del Alamillo, Sevilla – España Los elementos fundamentales de la estructura resistente del puente atirantado son los tirantes, las 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. 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).

Tirantes Paralelos (Arpa)

Tirantes Semi Paralelos (Semi Arpa)

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Tirantes Radiales (Abanico)

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.

Dos torres y simétricos

Una sola torre 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.

El 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.

SITUACIÓN ACTUAL EN EL ECUADOR En los últimos años el país ha mejorado su infraestructura y su desarrollo vial, es por eso que se han aplicado nuevas técnicas de construcción que han sido ya realizadas en otros países alrededor del mundo. La construcción de Puentes Atirantados ha ido evolucionando haciéndolos cada vez más deslumbrantes e inimaginables. Es por eso que en el Ecuador como medio de solución vial se ha decidido realizar la construcción de dos Puentes Atirantados. El 1ero es el Puente sobre el río Pastaza y el 2do el Puente Atirantado Juan León Mera en Ambato. 3


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El 1er Puente se ubica sobre el Río Pastaza a 65 Km. del Puyo, en el límite con Morona Santiago. Se inaugurará en Agosto de 2007 y será el Puente Atirantado número 100 en el mundo y el primero en el Ecuador de esas características. Este puente ayudará a la integración regional entre Pastaza y Morona Santiago, ya que se ubica en el límite provincial. La obra está a cargo de la compañía argentina José Cartellone Construcciones Civiles SA.

El 2do puente antes mencionado es el Puente Atirantado “Juan León Mera” que unirá a la calle Albornoz con Atocha. El puente será realizado en 720 días al costo de 8.500.000 dólares, financiados con crédito de la Corporación Andina de Fomento. Los empresarios y técnicos que participan en la obra orientan sobre los conocimientos de ingeniería que aplican a profesionales y estudiantes que visitan con regularidad el sector. Esta gran obra ayudará a descongestionar el tráfico vehicular, además de convertirse en un hito arquitectónico para el desarrollo y progreso de la ciudad.

Desde el 21 de abril del 2006 que se iniciaron los trabajos de construcción, la empresa contratista HERDOIZA CRESPO CONSTRUCCIONES S.A. Y ASOCIADOS ha realizado los siguientes trabajos: Replanteo general y detallado del proyecto; construcción del campamento y obras temporales para abastecimiento y operación, en las que se incluye una vía de acceso y un puente de acero provisional sobre el río. Se realizó el movimiento de tierras para la construcción de las torres del puente principal y de las estructuras de acceso, así como de la rampa 4; provisión y preparación del acero de refuerzo para las estructuras; conformación de botadero con el material sobrante de

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excavación, muros de contención, y un 70% de las pilas. Es decir el puente en su totalidad se encuentra construido en un 48% y será entregado a principios del 2008.

Detalle de las pilas Puente Juan León Mera, Ambato En los últimos años en que se ha reformado la red de transporte público de la ciudad de Quito, se ha construido varios puentes peatonales, todos en estructura metálica y la mayoría de estos son construidos en base a tubería reciclada de oleoducto. Los primeros puentes de tubería de oleoducto trabajan como estructuras suspendidas, es decir, poseen elementos soportantes principales, que por medio un sistema de tirantes sostienen a la estructura por donde transitan los peatones. A continuación se nombran algunos puentes peatonales construidos en Quito:

Puente Peatonal del Parque Lineal “El Machángara” Descripción General

Puente peatonal del parque lineal del “Machángara” Este puente como se encuentra construido en base a tubería metálica de oleoducto. Tiene una longitud de 25m tomados desde sus apoyos, sin tomar en cuenta la calzada de ingreso, es de un solo vano, el ancho del puente es de 3m y tiene una altura aproximada de 4.20m. Esta estructura trabaja como un puente colgante ya que posee apoyos de soporte en donde se suspende la estructura. El tablero del puente se encuentra apoyado sobre vigas de tubería metálica y estos a su vez se encuentran suspendidos por un sistema de tubos a tensión sujetos a la estructura principal de soporte.

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Puente peatonal de la estación del norte “Trolebús”. Descripción General

Puente peatonal de la estación norte “Trolebús” La estación norte del sistema “Trolebús” se encuentra localizado en el sector de la Y, en la Av. 10 de Agosto atrás de la Plaza de Toros Quito. Es una estructura realizada a base de tubería reciclada de oleoducto y trabaja como un puente colgante ya que tiene una estructura soportante que es la que sostiene al tablero por donde circulan los peatones. El puente es curvo en forma de elipse y tiene una luz libre entre apoyos aproximadamente de 25m y la distancia curva que se recorre es de 40 m, tiene una altura de 4.20m y un ancho de calzada de 1.50m. El tablero se encuentra apoyado sobre tubos de oleoducto respectivamente arriostrados mediante tubos de menor diámetro y la capa de rodadura que ha sido aplicado es en base de asfalto.

Puente Peatonal “El Parque de los Adolescentes” Descripción General

Puente de los Adolescentes Este Puente se encuentra ubicado en el sector de “El Condado” entre la Av. Occidental y la Autopista Manuel Córdova Galarza. Como se puede observar en la imagen, es una estructura realizada en base a tubería reciclada de oleoducto, es de un solo vano, tiene una altura de 4.20m y una longitud total aproximada de 38m. Este puente conecta el parterre de la Av. De la Prensa con el redondel creado como un pequeño parque “El Parque de los Adolescentes” es por eso el nombre de “Puente de los Adolescentes”.

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El último puente peatonal moderno en estructura metálica que se ha realizado en la ciudad de Quito, es en el sector de “El Trébol”, este puente tiene una longitud total de 48 m, dividido en 2 vanos iguales, tiene una altura de 4,80 m y un ancho de calzada total de 2,40 m, dejando así una calzada libre de 1,80 m. Tiene un apoyo fijo y un móvil en cada vano, su tablero es de estructura metálica con una capa de rodadura de hormigón simple, las vigas de soporte son de estructura metálica con riostras en varios puntos de la misma. Lo novedoso de este puente es que tiene su rampa de acceso en forma de espiral.

Puente Peatonal en el sector de “El Trébol”

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2. MODELO GEOMÉTRICO Y PREDISEÑO DISEÑO PUENTE PEATONAL ATIRANTADO “ESPE” Desde la creación de la Escuela Politécnica del Ejército en el sector de Sangolquí, nunca se ha realizado un sistema de paso peatonal para cruzar de manera segura la Avenida El Progreso. Esta es una vía de alto tráfico con un grado de peligrosidad alto para los peatones que cruzan la misma. Ahora con el nuevo proyecto vial que se encuentra en proceso, esta vía será de mayor ancho geométrico, y por lo tanto aún mayor riesgo. Es por eso que es importante y sumamente urgente realizar un paso peatonal moderno y seguro que vaya acorde con las nuevas tendencias arquitectónicas y civiles para dar realce al sector y a la ESPE. La aplicación del proyecto se desarrollará a la entrada del Campus Politécnico de la Escuela Politécnica del Ejército, sede Sangolquí, sector sur de la provincia de Pichincha en el cantón Rumiñahui. Se analizó algunas ideas sobre la geometría que tendría el paso peatonal ya que esta debía ser una estructura especial no común, que le de realce a la Escuela Politécnica del Ejército, es por eso que se tomó la decisión de realizar una estructura atirantada con forma de semi – arpa que atraviese el nuevo trazado vial, a la vez de dar un servicio seguro y eficiente tomando en cuenta las necesidades que tienen las personas minusválidas; es por eso que esta estructura posee un sistema de rampas de acceso amplias y cómodas para el alto tráfico que pueda presentarse por estar frente a una institución educativa. La Imagen 1 muestra la geometría que se ha adoptado para el paso peatonal atirantado.

Imagen 1: Geometría Puente Peatonal Atirantado “ESPE” El puente estará situado en la parte sur a 50m del ingreso principal, tendrá una altura entre la calzada y el tablero de 5,20m la parte más alta y la más baja de 4,80m, tiene una longitud de 35m y un ancho libre de calzada de 2,60m. La geometría del puente es de un solo pilón el cual está anclado a un sistema de muertos embebidos en el suelo y atiranta por medio de cables de acero de alta resistencia al tablero que se encuentra en volado.

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Imagen 2: Vista en planta del puente y del nuevo trazado vial. El pilón tiene forma de diamante el cual se encuentra armado con hormigón de 350 Kg/cm2 para soportar las cargas que van a ser ejercidas por este, tiene una altura de 18,80m y la zona de mayor espesor es de 1m.

Imagen 3: Detalle del Pilón 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. H

=

(0.20 0.25) xLc

H

−

=

0.465.n.a

H= altura de la torre n= Número de cables a cada lado de la torre a= Longitud del panel. Lc= Luz principal.

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Las cargas estáticas de este tipo de puentes atirantados es el resultado de complejas interacciones entre varios parámetros. Las principales características son la carga que soportan los cables, la rigidez del tablero, del pilón, y el tipo de conexión entre los pilones y el tablero. El análisis se trata por medio del método elástico, pero tomando en cuenta la geometría real de los cables la que considera su comportamiento no lineal. Las cargas de la estructura están definidas por las cargas permanentes y las cargas vivas. Un puente de cables múltiples es un sistema de alta redundancia. La resistencia de las cargas depende en gran parte de la rigidez de los elementos que soportan las cargas como son: los cables, pilón y tablero. Los momentos de flexión en el tablero se asemejan a estructuras continuas sobre soportes rígidos, así, de esta manera los espacios entre los cables tensados son reducidos. Los componentes verticales de las fuerzas en los cables se asemejan a las reacciones de soportes. Las tensiones en los cables de anclaje hacen posible la posición de pilones de manera que no están sujetos a grandes momentos de flexión cuando todas las cargas permanentes son aplicadas. Bajo cargas de tráfico, el tablero distribuye las cargas hacia los cables lo que hace que trabajen como resortes extendidos. Los pilones, elásticamente retenidos por los cables, flexionan y sufren deformaciones horizontales, aumentando el desplazamiento antes mencionado. Para esto el tablero está conformado por estructura metálica con vigas de soporte Tipo I a los costados del tablero como elementos principales, a la vez se encuentran arriostrados por vigas transversales del mismo tipo pero de menor dimensión y sumados a este correas metálicas para en conjunto brindar la rigidez necesaria que necesita el tablero. Como capa de rodadura se tiene un elemento soportante como es la novalosa, que incluye una capa de hormigón de 10cm de espesor, los cuales trabajan correctamente ante cargas peatonales. Los cables los cuales cumplen la función de sostener al tablero y transmitir las cargas hacia el pilón están sujetos a fuerzas de tensión. Existen Dos sistemas de cables los cuales son:  Los cables de atirantamiento.  Los cables de retención.

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. 10


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El diámetro de los cables de atirantamiento, es decir los que van al tablero, son de ¾’’ de pulgada, capaz de resistir hasta 26 toneladas antes de llegar a su límite de rotura, mientras que los cables que van anclados a los muertos de hormigón que son los que van a evitar las deformaciones verticales de la estructura tienen un diámetro de 1’’ pulgada. El rol de las fuerzas dinámicas en los cables tensados es muy importante. Más aún que en algunos tipos de puentes, tales fuerzas pueden determinar la viabilidad del proyecto. Existen generalmente tres tipos de problemas: 

Estabilidad aerodinámica



Efectos de funcionamiento.



Seguridad contra los sismos.

El desarrollo aerodinámico del Puente Atirantado determina, en gran parte, la seguridad. Es un hecho que la falta de estabilidad dinámica global era la razón para el derrumbamiento de varios de los primeros puentes suspendidos. Estas estructuras pueden ser muy susceptibles a fenómenos de viento la cual es una causa común de fatiga en sus sistemas de suspensión. El análisis de todos los fenómenos dinámicos, incluyendo efectos sísmicos, son muy tomados en cuenta para evitar que la estructura sufra daños irreversibles y/o catastróficos. Con estos datos nombrados anteriormente se puede realizar un modelo con el programa “SAP 2000” y de esta manera obtener resultados que indiquen como esta trabajando la estructura y posibles problemas que puedan encontrarse.

Imagen 4: Vista lateral Puente Peatonal ESPE programa SAP 2000 El puente peatonal atirantado se encuentra anclado a muertos de hormigón en el sector de la ESPE, su pilón está al borde del cerramiento en base al nuevo trazado geométrico, y el lado opuesto del puente colinda con el sector de “La Colina” .

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Imagen 5: Vista en 3 dimensiones del Puente Peatonal ESPE Vista en 3 dimensiones desde la parte superior derecha del puente se puede observar la disposición de cables hacia el tablero y anclajes, además de proveer una idea clara de la geometría que tendrá el pilón y detalles de cómo se verá en general toda la estructura.

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3. RESULTADOS Primeramente es necesario acotar que la estructura se diseño por medio de períodos de construcción, ya que es importante analizar como la estructura actúa y se deforma a causa de etapas que se realizan al momento de construir. Una vez diseñada y aplicada las cargas que van a trabajar sobre esta observamos paso a paso las deformaciones que dan como resultado al analizar por medio de Períodos de Construcción. 1. Pilón

En la primera etapa de construcción podemos observar en el gráfico que tenemos una deformación del pilón de 1mm, ya que todavía no ha recibido cargas del tablero ni de los anclajes, sino que actúa bajo cargas del peso propio del mismo.

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2. Pilón + Tablero + Apoyo 1 + Apoyo Final El segundo período de construcción relaciona el pilón + la primera etapa del tablero se encuentra sobre un apoyo temporal + la segunda etapa del tablero que de la misma manera esta sobre un apoyo al final el cual también estará temporalmente.

Aquí en la segunda etapa del tablero se tiene una deformación de apenas 4cm verticalmente, no existe todavía una deformación horizontal a ser considerada. 3. Pilón + tablero + cables de atirantamiento + cables de retención – Apoyo final En el tercer período se colocan los cables de atirantamiento y de retención y se elimina el apoyo final y obtenemos lo siguiente:

A causa de que se eliminó el apoyo temporal final de la estructura, se obtuvo como resultado una deflexión vertical de 18cm, además de tener una deformación vertical en el cable de 40cm, esto es causa de que el apoyo intermedio no ha sido eliminado todavía y no existe una tensión necesaria para que el cable de retención trabaje.

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4. Pilón + tablero + cables de atirantamiento + cables de retención – Apoyo intermedio En el cuarto período de construcción se elimina el apoyo intermedio y se tiene todo el tablero en voladizo.

Al tener toda la estructura en volado, obtenemos una deformación final en el tablero de 20cm, la cual debemos contrarrestar con la tensión en los cables de retención. Por ser una estructura en volado se deberá tener un sistema de apoyo al final del tablero para de esta manera contrarrestar las deflexiones horizontales que produce ante efectos de vibración, ya que los puentes peatonales por ser estructuras muy ligeras tienen muchos problemas por esta causa.

CONCLUSIONES 1. Los puentes peatonales atirantados al ser estructuras muy ligeras tienen grandes problemas de vibración ante cargas vivas, es por eso importante darle la rigidez necesaria para evitar que esto afecte a la estructura. 2. Los cables de retención cumplen una función muy importante ya que son los que evitan que ante cargas en el puente, el pilón y el tablero sufra deformaciones excesivas. 3. Es importante que la estructura tenga un buen desarrollo aerodinámico para evitar que eventos extremos como el viento causen daños de fatiga en sus sistemas de suspensión. 4. Por ser una estructura que se encuentra en voladizo es necesario que en el extremo del volado exista un sistema de apoyo que disminuya el desplazamiento horizontal y vertical. 5. Al momento de diseñar cables dentro del programa SAP 2000 es importante tomar en cuenta la geometría deformada del cable ya que de esta manera el programa presenta varias iteraciones dando como resultado deformaciones mucho más reales.

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6. Este tipo de estructura no se encuentra especificada dentro de los factores de reducción de cargas sísmicas que propone el Código Ecuatoriano de la Construcción, ya que no es factible utilizar el valor recomendado de 3 debido a que el único elemento estructural que resistirá las fuerzas sísmicas es el pilón de hormigón armado, es por eso que es recomendable no reducir las fuerzas sísmicas.

REFERENCIAS 1. ”Análisis y Diseño Estático y Dinámico de Puentes Atirantados”, Tesis de Grado, Marco Leonardo Tapia Mera. 2. “Cable Stayed Bridges”, Theory and Design, M.S. Troitsky, DSc 1977 3. “Análisis y Diseño de Puentes Colgantes y Atirantados”, Artículo: Ing. Pablo Caiza. M.Sc. 4. “Comportamiento no lineal de cables”, Artículo, Ing. Pablo Caiza. 5. “Bridge Engineering”, Design, Rehabilitation, and Maintenance of Modern Highway Bridges; Demetrios E. Tonias, P.E. 6. “Manuales de uso del SAP 2000”; Monografía, Ing. Pablo Caiza. 7. “AASHTO LRFD Bridge Design Specifications” SI Units Third Edition.

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