Estudios previos para el diseño de un proyecto de un puente.
Los estudios básicos deben ser realizados de acuerdo a los requerimientos del proy proyec ecti tist sta, a, por por perso ersona nall espe especi cial aliz izad ado, o, con con expe experi rien enc cia, ia, y segú según n los los procedimientos que se establecen en los manuales especializados de ingeniería de puen puente tes, s, que que en gene genera rall son son más más exig exigen ente tes s que que lo requ requer erid ido o para para las las edificaciones Los puentes generalmente son obras complejas, que requieren para su proyecto definitivo estudiar los siguientes aspectos: • Localizacin de la estructura o ubicacin! • Luz y tipo de puente que resulte más adecuado para el sitio escogido, teniendo en cuenta su est"tica, economía y seguridad! • #orma #orma geom"tri geom"trica ca y dimensio dimensiones, nes, analiza analizando ndo sus accesos accesos,, superes superestruc tructura tura,, subestructura, cauce de la corriente y cimentaciones! • $bras de arte y complementarias! Localización Una característica fundamental del lugar para la colocación del puente es su estabilidad fluvial. Es decir, la garantía de que el río no modifique su sección con efectos negativos para el puente. La ubicación de un puente en lugar inestable puede obligar a realizar obras de encauzamiento importantes para estabilizarlo. En ocasiones, estas obras son imprescindibles pues la falta de estabilidad es extensa y general. . Los lugares de cauce estrecho dan obviamente la ubicación del puente ms económica. !e otro lado, los cauces m"ltiples, adems de tener mayor longitud , suelen presentar menor estabilidad. •
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Las pilas, cimentaciones, estribos y todo elemento mo#ado del puente debe estar correctamente alineado con la corriente, de ning"n modo seg"n la alineación propia del puente, por ms que esto signifique una complicación estructural o constructiva. $ig. %.& 'lineación de pilas y estribos seg"n la corriente. Una alineación muy oblicua, casi paralela al río puede ocasionar tal concentración de obstculos en el cauce que pueden llegar a obstruirlo. Este problema es ms frecuente cuanto ms importante es la vía y cuanto menos importante es el cauce (un arroyo), pues la vía impone su trazado desconsiderando el carcter específico del cauce (ver fig. %.*). $ig. %.* +ía de importancia alineada casi en paralelo con el curso de agua. •
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1.1.2 Luz y tipo de Estructura
Una vez escogida la ubicación de estructura, es necesario conocer con mayor exactitud las características del terreno y el comportamiento del río. ara esto, deben efectuarse los siguientes estudios de la zona escogidaEstudio opogrfico- !ebe hacerse un estudio del lugar escogido donde deben incluirse las vías de acceso, determinando curvas d e nivel y perfiles de la vía tomados por el e#e y por los extremos de la calzada, alineamiento del cauce aguas arriba y aguas aba#o con los niveles de agua observados. Estudio de la hoya hidrogrfica- /e debe realizar aguas arriba del proyecto con indicación de pendientes, tipo de suelos, tipo de cultivos, datos pluviom0tricos, registros de aforos en el sitio del ponteadero, velocidad de corriente, características del río y descripción de los materiales de construcción que se encuentren. %% 1ecopilación de información- /e debe recopilar los informes t0cnicos sobre los comportamientos de los puentes existentes sobre el mismo cauce en cercanías al ponteadero escogido, mapas, fotografías a0reas, datos pluviom0tricos e hidrulicos, lecturas de niveles de río en cuestión de la zona del estudio. Estudio de suelo y geot0cnicos- El ob#etivo primordial de estos estudios es determinar la erosión y los parmetros de suelo, con el fin de establecer el tipo cimentación y garantizar la estabilidad de la obra. 2omo resultado de los estudios geot0cnicos, se deben dar los parmetros necesarios que intervienen en el anlisis dinmico y dise3o sismo4resistente de la estructura seg"n el comportamiento de suelos. 5ay procesos y componentes de la erosión que ocurren independientemente de la existencia del puente (erosión general transitoria y a largo plazo, erosión en curvas, etc), pero tambi0n existen otros componentes debidos sólo a la presencia de puentes. Los componentes de la erosión específicos en el caso de un puente son dos- la erosión localizada provocada por el estrechamiento ocasionado por el puente (ocurre en la sección del puente y sus inmediaciones), y la erosión local (ocurre en pilas, estribos y otro elementos mo#ados o rodeados por la corriente). 2on los estudios realizados podremos conocer la sección hidrulica, la velocidad de la corriente, el gasto mínimo y el gasto mximo en el sitio del ponteadero durante la vida "til de la estructura, características del suelo, si es erosionable o n o. 2on la ayuda de estos resultados se deber elegir la luz de la estructura. En general, un puente puede considerarse formado por dos unidades de obra diferentes- la estructura y la obra de tierras de aproximación (terrapl0n). La estructura es la unidad cara y la unidad de tierras de aproximación es la unidad barata. /in embargo, la segunda unidad resta anchura a la sección del río, de ahí que una buena combinación de las dos unidades nos dar la solución económica y segura. /i disminuimos moderadamente el ancho del río no necesariamente se resta capacidad hidrulica (ver fig. %.6). El efecto global es una sobre elevación del nivel antes del puente (remanso producido por el puente) . El caudal de agua pasa por igual deba#o del puente, pero con una velocidad media mayor a trav0s del vano. !e todos modos si la perdida de anchura superara el estrechamiento crítico el nivel de la sección crecería conforme al calado crítico. $ig. %.6 2aracterísticas hidrulicas del flu#o ba#o un puente (r0gimen lento). %& 'dems del efecto de sobre elevación, el aumento de velocidad (por la reducción de •
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anchura) produce erosión del lecho en el rea del puente. Estos dos efectos, de sobreelevación y erosión, son los inconvenientes de restar anchura al vano. eniendo en cuenta esos efectos, el óptimo económico se encuentra siguiendo este razonamiento- cuanto mayor es la longitud de terrapl0n y menor la longitud de la estructura, la obra del puente ser ms barata, pero ms caros los efectos- costo del remanso creado por el puente y costo de las obras para cimentarlo a mayor profundidad y defenderlo. En otro extremo, cuanto ms larga es la estructura y ms corto es el terrapl0n, la obra del puente es ms cara pero sus efectos son menos costosos. ambi0n influye en la decisión la existencia de otros puentes próximos. $inalmente, es importante el factor psicológico- qu0 apariencia tendría el puente o cómo lo percibiría la población. La problemtica de reducción del ancho se presenta con un nuevo aspecto en el caso particular de ríos con cauce principal y llanuras de inundación bien diferenciadas. El puente sería extremadamente antieconómico si hubiera de salvar todo o parte de la anchura de la llanura mediante una estructura. La ocupación de parte de la llanura con el terrapl0n es así inevitable. 'hora bien, podríamos distinguir el caso en que el cau ce principal representara casi toda la capacidad de desag7e del río (porque la avenida de proyecto desbordase muy poco) del segundo caso en que las llanuras de inundación contribuyeran sensiblemente a la capacidad. En el primer caso la llanura sirve ms bien como un almacenamiento temporal de agua y la discusión sobre la anchura puede aplicarse a la luz sobre el cause principal. an sólo para facilitar el vaciado y el llenado de la llanura conviene de#ar pontones en el terrapl0n. En el segundo caso, una solución t0cnica y económica consiste en un vano secundario en la llanura (ver fig. %.8), llamado tambi0n vano de alivio, con una segunda estructura (aunque tambi0n puede ser sustituido por un rea de vano equivalente en forma de m"ltiples secciones prefabricadas menores). El ob#etivo del vano de alivio es colaborar al desag7e, en particular a dar paso al caudal circulante en avenida por la llanura. 2on ello contribuye a reducir la sobreelevación aguas arriba y la erosión del cause principal. ambi0n suele tener un efecto psicológico de alivio frente al aspecto de obstrucción de un terrapl0n extendido en toda la llanura. $ig. %.8 +ano principal y vano de alivio Una vez determinada la luz total de la obra se debe elegir el tipo de sistema estructural que se emplear. La tabla %.% muestra los rangos de luces para los diferentes tipos de puentes. ara elegir el tipo de puente, tambi0n se debe considerar la est0tica de la obra que debe guardar armonía con los alrededores, el buen servicio y durabilidad de la obra, la facilidad de construcción y la economía del proyecto. %* abla %.% 1ango de luces seg"n el tipo de estructura. ipo de 9aterial 1ango de Estructura luces(m) Losa 2. 'rmado :4%& 2. reesforzado%:46: +igas 2. 'rmado %&4&8 2. reesforzado&84*&8 'cero *:4*:: 'rco 2oncreto ;:4*<: 'cero %*:46:: 'cero 1et. &6:48&:
1eticulado 'cero %::4=:: 'tirantado 2oncreto 8:468: 'cero %::4%::: 2olgante 'cero *::4&::: uentes, 'nlisis !ise3o y 2onstrucción. '2>, 'merican 2oncrete >nstitute, 2apitulo de Estudiantes de la Universidad ?acional de >ngeniería., Lima %<<*.
1.1.3 Forma geométrica y dimensiones Una vez elegida la ubicación y tipo de puente, es necesario considerar, para el dise3o geom0trico del puente, las recomendaciones que da el 9anual de dise3o geom0trico !@4 << 4 92. Estas recomendaciones apuntan a producir niveles aceptables de visibilidad, comodidad, seguridad y de servicio en general. 2omo regla general, se debe conservar el ancho de la calzada. En las estructuras normales de luz no superior a unos &: m, debería conservarse tambi0n el ancho de bermas. ero en obras de características especiales por su longitud, luz o altura puede ser económico reducir el ancho de las bermas, si el trfico de peatones es muy escaso, no hay aceras y se disponen las barreras al borde de las bermas. En caso contrario se debe disponer un paso para peatones (o para personal de mantenimiento), por medio de una acera separada de la berma por barreras y protegerla por una barandilla. En zonas urbanas se suele emplear secciones anlogas a las de las calles. /i por razones de mantenimiento o de flu#o peatonal, se requiera dotar de veredas al puente, 0stas se separaran de la berma por medio de barreras y se debe proteger los bordes con barandas, siendo el ancho mínimo de las veredas de :,A8 m. En todo caso, el 92 tiene la potestad de aprobar casos excepcionales tanto por deba#o del mínimo como exigir secciones de estructuras mayores que estos mínimos en aquellos casos en que las características del trazado o del trnsito lo recomienden, así como el derecho de autorizar secciones especiales para puentes de longitud o de luces excepcionales. El dise3o geom0trico en puentes debe satisfacer adems de las ?ormas eruanas de uentes, las siguientes restricciones%6 1. En los cruces sobre vías vehiculares y f0rreas deben preverse futuros traba#os tales como ampliación de la vía. 2. 2uando el puente es para superar un río o canal, el alineamiento horizontal de la carretera en el tramo del puente puede ser curvo y no necesariamente perpendicular al e#e de la corriente del agua. 3. El peralte utilizado en puentes localizados en curvas horizontales o zonas de transición debe cumplir con el dise3o geom0trico especificado en la vía y no debe superar el valor mximo permitido. 4. @libos/obre corrientes de agua, relativamente limpias en toda 0poca- mínimo &,: metros por encima del nivel de aguas mximas. /obre corrientes de agua que en algunos periodos transportan deshechos, troncos y otros ob#etos voluminosos- mínimo &,8 metros por encima del nivel de agua mximas, para el período de retorno que establezcan los correspondientes t0rminos de referencia. /obre carreteras- mínimo 8,8: metros para vías principales rurales y urbanas y 8.:: metros para otras vías, por encima de la rasante de la carretera. /obre vías f0rreas- mínimo 8,8: metros. /e debe solicitar aprobación del 92. /obre ríos navegables- se debe hacer la consulta al 92. •
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5. /ección transversal- en toda la longitud del puente se mantendr la sección transversal típica del ramo de la carretera en el cual se encuentra el puente. !icha sección debe comprender las bermas, aunque la norma permite algunas reducciones seg"n el tipo de velocidad, terreno, y clasificación de la vía. 6. En el alineamiento vertical del puente no habr ms limitaciones que las propias del dise3o geom0trico del tramo dónde est0 ubicado, es decir en ning"n caso un puente limitar el dise3o vertical de una carretera. 1.1.4 Obras de arte y complementarias or otra parte, las obras de arte deben incorporarse al trazado de una manera fluida y natural, así como 0ste debe ser compatible con la geometría del accidente topogrfico que obliga la construcción de la estructura. ambi0n es necesario para el buen funcionamiento del puente el buen dise3o de las obras complementarias tales como barandas, drena#e de la calzada y de los accesos, protección de las mrgenes y si fueran necesarios el empedramiento d e taludes, iluminación y rectificación del cauce. Estas obras de encauzamiento son necesarias cuando se teme por el puente. or e#emplo, el caso de un río meandriforme en el que se construye un puente con terraplenes sobre la llanura de inundación y una estructura sobre el cauce principal. El agua no pasa %8 perpendicularmente ba#o el puente se reduce la capacidad hidrulica del puente y las pilas y estribos sufrirn la incidencia oblicua del agua ara contrarrestar estos efectos se requieren obras que estabilicen el río orientndolo hacia el vano del puente. /e puede utilizar espigones para el caso de ríos trenzados y defensa de mrgenes en el caso de ríos meandriformes. 'dems, como obras especiales pueden destacarse los diques de guía, cuyo ob#etivo es dirigir el flu#o del río hacia el vano en dirección perpendicular al vano.
Antes de proceder con el diseño del proyecto de un puente, es indispensable realizar los estudios básicos que permitan tomar conocimiento pleno de la zona, que redunde en la generación de información básica necesaria y suciente que concluya en el planteamiento de soluciones sasfactorias plasmadas primero en anteproyectos y luego en proyectos denivos reales, y ejecutables. l proyecsta deberá informarse adecuadamente de las dicultades y bondades que le caracterizan a la zona antes de denir el emplazamiento del puente. mplazamiento que deberá ser fruto de un estudio comparavo de varias alternavas, y que sea la mejor respuesta dentro las limitaciones !generación de información" y variaciones de comportamiento de los cambios naturales y provocados de la naturaleza. #ebe igualmente especicar el nivel de los estudios básicos y los datos espec$cos que deben ser obtenidos. %i bien es cierto que los datos naturales no se obenen nunca de un modo perfecto, estos deben ser claros y &les para la elaboración del proyecto. 'as especicaciones y metodolog$a a seguir para la realización de los estudios básicos no son
tratados en esta obra. 'os estudios básicos deben ser realizados de acuerdo a los requerimientos del proyecsta, por personal especializado, con e(periencia, y seg&n los procedimientos que se establecen en los manuales especializados de ingenier$a de puentes, que en general son más e(igentes que lo requerido para las edicaciones. )omo parte de los estudios básicos, es igualmente recomendable realizar un estudio y la inventariación de la disponibilidad de materiales, infraestructura instalada, mano de obra especializada, equipos, y otros que el proyecsta considere de ulidad. *. #atos de las condiciones naturales del lugar donde se requiere construir el puente. *.*. +opograa. #ebe contener como m$nimo, un plano de ubicación, planimetr$a con curvas de nivel cada metro si la quebrada es profunda o más juntas si el terreno es llano ó las barrancas son poco denidas. %ecciones transversales en el eje propuesto enlazado con el eje de la v$a, otras aguas arriba y abajo, situadas cada *- ó - metros seg&n la necesidad, y condiciones topográcas, un perl longitudinal del eje del lec/o del rió en 0-- metros !ó mas seg&n la necesidad" aguas arriba y abajo *.. 1idrológia. ste estudio debe contener por lo menos la media anual de las precipitaciones, las crecidas má(imas y m$nimas, la velocidad má(ima de l a corriente, el caudal, las variaciones climat2ricas y materiales de arrastre !palizada, t2mpanos de /ielo, y otros". n los planos de puentes sobre r$os, se deben registrar siempre los niveles de agua !ver gura *.3 4ág. *5**", cuya notación presentamos a connuación6 7.A.7.. 8 9ivel de aguas má(imas e(traordinarias. 9.A.7. 8 9ivel de aguas má(imas 9.A.:. 8 9ivel de aguas ordinarias 9.A.m. 8 9ivel de aguas m$nimas *.;. gualmente deberá incorporarse el material predominante del lec/o del r$o, su tamaño medio, la variabilidad del lec/o del r$o, la cota mas baja de este, sus tendencias de socavación, y nalmente un informe en el que debe recomendarse la cota y po de fundación.
*.3. ?iesgo s$smico %e llama riesgo s$smico a la probabilidad de ocurrencia dentro de un plazo dado, de que un sismo cause, en un lugar determinado, cierto efecto denido como p2rdidas o daños determinados. n el riesgo in@uyen el peligro potencial s$smico, los posibles efectos locales de amplicación, la vulnerabilidad de las construcciones !e instuciones" y las p2rdidas posibles !en vidas y bienes". l riesgo s$smico depende fuertemente de la candad y po de asentamientos /umanos y de la candad e importancia de las obras que se encuentran localizados en el lugar.
. #atos de las condiciones funcionales. 'os datos de las condiciones funcionales son en general jados por el propietario o su representante !7inisterio de transportes, 7unicipalidades" y por las normas yo las especicaciones correspondientes. ntre los datos funcionales más importantes que se deben jar antes de iniciar el proyecto del puente tenemos6 .*. #atos geom2tricos. Anc/o de la calzada !n&mero de v$as" #imensiones de la vereda, barandas, etc. 4eralte, sobre anc/o, pendientes, curvatura, gálibo. .. #atos de las cargas vivas. %istemas de cargas de diseño )argas e(cepcionales )argas futuras .;. :tros datos. Belocidad de diseño Bolumen de tráco Accesorios del tablero6 vereda, barandas, ductos. ;. #atos socio económicos.
ste es un aspecto sumamente importante que debe tomar en cuenta todo proyecsta al igual que los funcionarios p&blicos involucrados en el proyecto. s un tema que está fuera de los alcances de este te(to, pero son datos de gran importancia y por eso es muy oportuno por lo menos indicarlo por cuanto no es moral, ni 2co proyectar obras p&blicas como son los puentes, con e(ceso de materiales y menos a&n si esos materiales son importados y causan p2rdidas innecesarias de divisas para nuestro pa$s. 'os puentes se construyen con fondos p&blicos que son escasos.
3.
+omando en consideración las recomendaciones descritas anteriormente, este perl casi siempre está denido por el del trazado caminero o ferroviario, con pendientes /acia ambos e(tremos no mayores a -.C0 D. 3.;. %ocavaciones. Eno de los aspectos de alto riesgo en la estabilidad de los puentes, son las socavaciones, que están $nmamente ligadas a las caracter$scas de los r$os. n general la topograa terrestre presenta una gran variedad de r$os con una diversidad de problemas, sin embargo por razones práccas se agrupan en los dos pos siguientes6 a" ?$os de caudal bruscamente variable o torrenciales b" ?$os de caudal relavamente constante !var$an más o menos lentamente". 'os r$os de caudal relavamente constante, no dan problemas de $ndole /idráulico pero en cambio, los r$os de caudal bruscamente variable los cuales son los que normalmente se encuentran en las regiones bajas, con caudal más o menos reducido durante la mayor parte del año, incrementándose enormemente y s&bitamente en la 2poca de lluvias y durante los des/ielos. 4resentan problemas de variabilidad de lec/o, inundaciones, y socavaciones, para lo cual /ay que tener muc/os cuidados. 4ara prever la variabilidad del lec/o del r$o frecuentemente se construyen tramos de descarga o mas alcantarillas en los terraplenes de acceso para que por a/$ pasen las aguas que se desprenden del curso principal. +ramos de descarga que deberán merecer connua y celosa vigilancia para evitar desastres por encauzamiento de los caudales principales. n los terrenos llanos, especialmente en la 2poca de las grandes crecidas, el nivel de las aguas sube considerablemente, llegando en algunos casos a cubrir la calzada de las v$as, provocando destrozos, deterioros y la anulación temporal de la v$a, y en la 2poca de mayor necesidad. ?azones que nos muestran la necesidad de prever sistemas de drenaje que permitan el libre desfogu2 de estas aguas, y cota de rasante jada en concordancia, y previsión con estos /ec/os. 'a determinación de la cota de fundación, es una tarea compleja, y dicil. %i bien se ene información sobre el tema, este es apenas referencial, depende de muc/as variables y ocurrencias durante las propias crecidas. (isten diversidad de formulas emp$ricas que nos permiten esmar la profundidad de las socavaciones, el solo seleccionar la ecuación de mejor comportamiento es dicil, aun cuando /ay autores que recomiendan el uso de una y otra formula en los diversos pos de r$os. n &lma instancia, siempre será el profesional el responsable de la decisión, en base a su buen criterio y fundamentalmente en base a su e(periencia y e(periencias de /ec/os similares. %in embargo, se puede decir que la cota de fundación, en ning&n caso deberá ser mayor a la cota de socavación menos ; metros. n ulma instancia y si la inversión as$ lo indica, deberá recurrirse a modelos a escala, o modelos matemácos de simulación. 'as informaciones /istóricas y profesionales del área indican que las mayores socavaciones que se /an registrado en nuestro pa$s bordean los 0 m. /abi2ndose
constatado que guardan relación con la profundidad del agua, su velocidad y la dureza del terreno, y el po de material del lec/o. ntre las varias fórmulas que e(isten para determinar la profundidad de socavación, se puede citar la siguiente que ene aplicación especialmente en caso de r$os medianamente caudalosos.
#onde6 / 8 F 8 1 8 BG 8
4rofundidad de socavación en metros. )onstante caracter$sca del terreno en segm 4rofundidad de la corriente en metros. Belocidad de las aguas en mseg.
'a constante F para algunos materiales ene los siguientes valores que se muestran en la tabla *.*6 7A+?>A' H!segGmG" ?ipio conglomerado -.-* ?ipio suelto -.-3 Arena -.-I Jango -.-K +abla *.. Balores de F
%e enende que no se debe fundar sobre el fango, pero si este puede estar por encima de la fundación. Ena vez esmada la profundidad de socavación, se puede denir la cota de fundación de las pilas adicionando al valor esmado con la fórmula anterior, una altura m$nima de ; m. !Jigura *.0". >nclusive se debe analizar la posibilidad de /incar pilotes. )abe recordar que una de las causas mas frecuentes de la falla de los puentes es la socavación, por esta razón es de importancia fundamental que la cota de fundación, se je con criterio conservador para quedar a salvo de este fenómeno. 'a inversión, que se /aga para profundizar las pilas contribuye más a la seguridad de la estructura, que esa misma erogación aplicada a aumentar la longitud. s indispensable el conocimiento de la naturaleza del subsuelo para jar la profundidad de fundación conveniente. Jigura *.0. %ocavación y cota de fundación
3.3. #efensivos. ?eciben esta denominación los diferentes sistemas desnados a proteger las playas de los r$os y terraplenes de acceso al puente. n consecuencia pueden ser denidos como protecciones y como espigones. 3.0. 4rotecciones. )orresponden a pedraplenes que son sistemas de revesmiento con piedra bolona del mayor tamaño posible o en su defecto bloques de /ormigón. stas protecciones deben reforzarse cada cierto empo en función a la tendencia a sumergirse o despiezarse /asta que en alguna 2poca se conseguirá una mayor estabilidad en las playas o terraplenes a protegerse. Al pi2 de las pilas es aconsejable encerrar las piedras dentro de una malla ol$mpica, reduci2ndose as$ la socavación. 3.I. spigones. stos se ubican aguas arriba y en correspondencia con las playas que enden a la socavación, provocándose con ellos más bien la sedimentación para estabilizar el cauce del r$o.
