Escuela Politécnica Nacional Ingeniería Civil Puentes Puentes Aporticados Realizado por: Pamela Castillo Cisneros Elizabeth Fuertes Fuentes Marcos Díaz Sánchez Patricio Palacios Benavides
Quito 25 de octubre de 2016
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Introducción .............................................................................................................. 1 Objetivos ................................................................................................................... 1 2.1 2.2
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Objetivo General ................................................................................................ 1 Objetivos Específicos......................................................................................... 1
Marco Teórico ........................................................................................................... 2 3.1
Generalidades..................................................................................................... 2
3.2
Diseño Sismoresistente ...................................................................................... 3
3.3 Clasificación ...................................................................................................... 3 3.3.1 Pórticos con vigas en voladizo ................................................................... 5
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3.3.2 3.3.3
Pórticos continuos....................................................................................... 6 Pórtico con patas inclinadas ....................................................................... 6
3.3.4
Pórtico con arco triarticulado de tipo Maillart............................................ 7
3.4
Principales puentes aporticados ......................................................................... 8
3.5
Proceso constructivo .......................................................................................... 8
Conclusiones y recomendaciones.............................................................................. 9 Bibliografía.............................................................................................................. 10
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Fig. 1. Esquema de puente aporticado Fuente: (Palmer, 1930) ....................................... 2 Fig. 2 Morfologías habituales de Puentes Pórtico. FUENTE: (ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 2011) ....................................... 3 Fig. 3 Puentes de estructura aporticada. Fuente: (Seminario Manrique, 2004)................ 4 Fig. 4. Aizhai Beam Bridge. ............................................................................................. 5 Fig. 5. Puente Chilina o Puente Mariano Melgar Valdivieso, longitud total 562 metros, Perú. .................................................................................................................................. 6 Fig. 6 Puente sobre el Río Chiche, extensión de 320 metros. Fuente: Diario el Universo. .......................................................................................................................................... 6 Fig. 7. Reacciones típicas de un puente triarticulado. ...................................................... 7 Fig. 8. Puente Salginatobel; Robert Maillart 1930, longitud total 132 metros. Fuente: (CivilGeek, 2003) ............................................................................................................. 7 Fig. 9 Construcción sobre cimbra. FUENTE: (Otero, 2012)............................................ 8 Fig. 10 Carro de avance FUENTE: (Otero, 2012)............................................................ 9
Tabla 1. Clasificación de los puentes .Fuente: (Jiménez Flores, 2011)............................ 1 Tabla 2. Puentes aporticados más importantes ................................................................. 8
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Un puente es una obra que se construye para salvar un obstáculo, de esta forma se logra dar continuidad al trazado de una vía (Rodríguez Serquén, 2012). En ocasiones su función es sustentar un camino, carretera o vía férrea, pero en otras ocasiones puede también transportar tuberías o líneas de distribución de servicios básicos para una ciudad. Según transmisión de cargas a la infraestructura
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Puentes de vigas. Puentes aporticados. Puentes de arco. Puentes en volados sucesivos. Puentes obenque (atirantados). Puentes colgantes. Tabla 1. Clasificación de los puentes .Fuente: (Jiménez Flores, 2011)
Para el presente trabaj o investigativo, se hará referencia al “Puente Aporticado”, mismo que entra en la clasificación de estas estructuras según su mecanismo de transferencia de cargas a la infraestructura (Jiménez Flores, 2011). El puente pórtico es una estructura intermedia que tiene características del arco y la viga. Está constituido por pilas y tablero igual que en los puentes viga sin embargo es un mecanismo complejo debido a que en él intervine la resistencia a flexión de sus elementos. Simultáneamente aparecen reacciones en sus apoyos lo que le da la característica de pórtico (UPC Universidad Politécnica de Catalunya, 2005). Este tipo de puentes empezaron a ser utilizados en Alemania a inicios del siglo XX y rápidamente fue extendiéndose su uso a América. Los pioneros e impulsadores del uso de este tipo de puente fueron Emílio Henrique Baumgart y Arthur G. Hayden, para ese entonces se utilizaba ampliamente los puentes de concreto reforzado, pero sin una unión rígida entre elementos; en los puentes aporticados, la estructura funciona monolíticamente conjuntamente; superestructura e infraestructura. Seguidamente, se provee de un sustento técnico para la definición y modo de funcionamiento de los puentes del tipo aporticados, mostrando los beneficios de la estructura y las desventajas de la misma, ejemplificando de forma gráfica algunos de los puentes aporticados con mayor luz encontrados a nivel mundial.
Investigar la tipología de puente aporticado, basados en datos históricos, configuración estructural y mecanismo de trasmisión de cargas para determinar sus características, ventajas y desventajas frente a otro tipo de puentes. Definir los elementos básicos que intervienen en la estructura de un puente aporticado, con el fin de establecer el mecanismo de transferencia de cargas. 1
Comprar las ventajas y desventajas que ofrece este tipo de configuración estructural en contraste con otras estructuras convencionales en la temática de puentes. Ilustrar de forma gráfica algunos tipos de puentes aporticados con el fin de diferenciar la configuración tratada con los demás puentes de uso frecuente. Conocer las principales características de los puentes aporticados.
Un puente aporticado, es aquel que tiene sus nudos rígidos, es decir, la superestructura y la infraestructura están conectadas rígidamente con el fin de obtener un puente que trabaje monolíticamente ante cargas móviles; este puente puede ser de concreto reforzado o de estructura metálica. Las conexiones rígidas entre los miembros permiten la transferencia de fuerzas flexionantes, fuerzas de corte y fuerzas axiales. Este tipo de estructuras permite obtener varios beneficios en cuanto al aspecto estructural, pero requiere un cálculo más complicado y en ocasiones su construcción no es fácil. La Fig. 1 muestra una estructura de este tipo y su configuración entre elementos.
Fig. 1. Esquema de puente aporticado Fuente: (Palmer, 1930)
Dentro de las ventajas estructurales que presenta un puente del tipo aporticado, se tiene que los esfuerzos de flexión en el tablero del puente, son menores en comparación a un puente simplemente apoyado, esto es debido al mecanismo de transferencia de esfuerzos y cargas que presenta esta estructura por su condición de rigidez a nivel de nudos (Portland Cement Association, 1936). Aun así, este tipo de puentes puede presentar una serie de desventajas, una de ellas es el armado del puente con las varillas de refuerzo y el encofrado del mismo, por ser una estructura monolítica, se requiere la unión rígida entre los elementos, en muchas ocasiones se requiere mano de obra especializada para cumplir lo que los planos estructurales establecen en su diseño, conjuntamente se tiene que su grado de indeterminación estática puede representar una complicación en el análisis estructural, ya que esta cantidad depende del número de vanos y la condición de apoyo de la estructura (Palmer, 1930).
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Basados en el cálculo sismoresistente de este tipo de estructuras y siendo un parámetro de consideración para Ecuador, estos análisis deben basarse en un diseño que permita que la estructura se mantenga en pie ante eventos telúricos de gran magnitud; es así que la filosofía de diseño, en caso de manejar materiales como concreto reforzado, debe estar basado en los parámetros mínimos de diseño establecidos en el “American Concrete Institute” vigente, donde se da prioridad al análisis y diseño de las conexiones de vigas y
columnas, siendo este proceso conocido como la revisión de la conexión viga-columna (CVC). Las nuevas investigaciones se han concentrado en el diseño de estas conexiones, para así asegurar la integridad física y de estabilidad de la estructura, una opción es la colocación de fibras de acero con el fin de eliminar la alta congestión de acero que suele presentarse en las uniones rígidas tratadas (Shakya, Watanabe, Matsumoto, & Niwa, 2012).
La clasificación de los puentes aporticados se da de acuerdo a su morfología:
Fig. 2 Morfologías habituales de Puentes Pórtico. FUENTE: (ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 2011)
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Pórtico con Vigas conectoras
Pórtico con vigas en voladizo “Ligadas”
Pórtico Continuo
Pórticos en “T”
Pórtico con patas inclinadas (acaballado simple)
Pórtico de patas inclinadas con tirantes
Fig. 3 Puentes de estructura aporticada. Fuente: (Seminario Manrique, 2004).
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Existen diversos esquemas de pórticos entre los principales tipos tenemos: -
Pórtico con vigas conectoras Pórtico con vigas en voladizo “ligadas” Pórtico continuo Pórtico en “T” Pórtico con patas inclinadas Pórtico con patas inclinadas con tirantes
En este tipo de puentes, se busca disminuir la indeterminación estática de la estructura por medio de articulaciones ubicadas a media luz entre secciones de pórticos. Las juntas además actúan como juntas de dilatación entre las plataformas, disminuyendo los efectos producidos por la dilatación térmica en la estructura.
Fig. 4. Aizhai Beam Bridge. Fuente: Eric Sakowski / HighestBridges.com
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El análisis estructural de este tipo de puentes es más complejo que en puentes que salven distancias parecidas ya que la indeterminación estática es mayor.
Fig. 5. Puente Chilina o Puente Mariano Melgar Valdivieso, longitud total 562 metros, Perú. Fuente: RXaulX, 24 de agosto de 2014.
Son viables en zonas montañosas, en las cuales las condiciones topográficas no permitan la construcción de pilas, ya sea por dificultad en la construcción o por la no-viabilidad económica de su construcción o por limitaciones dadas por el tráfico fluvial, ya que proporcionan apoyos de menor longitud en comparación con las pilas verticales, disminuyendo la distancia libre total salvada por la plataforma, y por consiguiente el costo total del proyecto
. Fig. 6 Puente sobre el Río Chiche, extensión de 320 metros. Fuente: Diario el Universo.
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Esta denominación se da a los puentes que estén construidos con arcos triarticulado. Esta construcción resulta particularmente apropiada cuando se dispone predominantemente de materiales resistentes a la compresión. En los apoyos del arco se origina un empuje horizontal que permite que aparezcan en el arco unos momentos flectores considerablemente menores a los que tendrían en una viga simplemente a poyada con la misma luz. En arco como es de esperar actúa bajo un esfuerzo de compresión considerable. Un arco triarticulado curva con dos apoyos fijos y que, generalmente, tiene una articulación en la clave del arco, Las articulaciones de los apoyos fijos absorben fuerzas verticales y horizontales y reciben el nombre de articulaciones en los arranques. Su línea de unión es la línea de arranque, mientras que la articulación en la clave hace que el sistema sea isostático.
Fig. 7. Reacciones típicas de un puente triarticulado. Fuente: (CivilGeek, 2003)
Este tipo de puentes llevan su nombre en honor al Ingeniero Suizo Robert Maillart, famoso en el siglo XX por concebir a la estructura de un puente como una unidad reduciendo de esta forma el peso propio de la estructura, además aportando con los cajones de hormigón armado en la construcción de puentes, gracias a la integración de sus puentes con el pasaje como es el caso del puente Salginatobel se dio el término de “Obra de arte” con referencia para todo puente, viaducto, alcantarillado o similar que sirva para sortear un quiebre en el terreno.
Fig. 8. Puente Salginatobel; Robert Maillart 1930, longitud total 132 metros. Fuente: (CivilGeek, 2003)
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Según la página https://structurae.net, dedicada a la conformación de una base de datos internacional para ingeniería civil e ingeniería estructural, se ha clasificado los puentes aporticados según su luz libre en orden descendente, mostrando la siguiente tabla donde se detallan las características de los mismos. Tabla 2. Puentes aporticados más importantes
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Nombre de Puente
Grand Canal Bridge at Le Havre Cadore Bridge São João Bridge Gazelle Bridge Grand Duchess Charlotte Bridge Fernando Espinosa Bridge Haseltalbrücke Xihuahai Bridge Tagliamento Bridge Hrazdan Railroad Bridge
País
Luz libre
France
275 m
Italy Portugal Serbia
272 m 250 m 249.9 m
Luxembourg
234.1 m
Mexico Germany China Italy Armenia
206 m 175 m 168 m 163 m 160 m
Fuente: https://structurae.net
En lo que respecta a los procedimientos constructivos se destacan los siguientes: -
Construcción in situ sobre cimbra: muy conveniente para luces pequeñas y poca altura.
Fig. 9 Construcción sobre cimbra. FUENTE: (Otero, 2012)
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Voladizos sucesivos atirantados: se avanza desde las pilas o estribos con ayuda de carro de avance o con vigas autolanzables.
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Fig. 10 Carro de avance FUENTE: (Otero, 2012)
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Construcción mediante giro de la pila Construcción mixta sobre cimbra y voladizos sucesivos
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Construcción mediante tirantes y apoyos provisionales (UPC Universidad Politécnica de Catalunya, 2005)
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Para la selección del tipo de puente a construirse es necesario considerar varios parámetros del sito donde se lo realizará, uno de ellos es el tipo de suelo, ya que el puente aporticado tiene la capacidad de transmitir fuerzas flexionantes a la cimentación del mismo; esta será diferente en cuanto a superficie de cimentación comparando con un puente simplemente apoyado ante las mismas condiciones de carga y tipo de suelo. Dado que la estructura es monolítica debido a sus conexiones rígidas entre la superestructura y la infraestructura es necesario proyectar juntas de construcción mayores a las convencionales en los estribos y en caso de existir tableros de vigas simplemente apoyadas, ya que la capacidad de dilatación debe ser mayor por el gran volumen de hormigón confinado en el tablero. Dada la dificultad en cuanto a encofrado y colocación de varillas, algunas constructoras prefieren el uso de hormigón pre-tensado, debido a que el vertido de hormigón en la estructura resulta dificultoso y en ocasiones muy costoso. Dado que el territorio nacional ecuatoriano se encuentra en una zona de alta sismicidad el diseño sismoresistente es esencial para salvaguardar la vida de los ocupantes del puente; este tipo de análisis requiere alto nivel de ingeniería e investigación que se recomienda para toda estructura. El gran peralte de las vigas usadas en este tipo de puentes obliga a utilizar cajones de hormigón armado para disminuir la carga muerta debido al peso propio de los elementos, eso que significa un ahorro de material en la sección de las vigas. 9
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La configuración estructural escogida para el diseño de este tipo de puentes puede variar dependiendo de las condiciones de apoyo y el número de vanos, afectando la indeterminación estática de la estructura que incluye directamente al cálculo de la estructura.
CivilGeeks.com. CivilGeek. (2003). Obtenido http://civilgeeks.com/2011/06/05/puente-la-salgina-una-obra-dinamicaexpresiva-y-de-maxima-limpieza-estructural/
de
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. (2011). PUENTES PORTICO . Recuperado el 18 de Octubre de 2016, de caminos.udc.es/info/asignaturas/622/.../P2_01_puentes_portico.pdf Jiménez Flores, G. (Enero de 2011). Introducción a Puentes. La Paz, Bolivia. Otero, A. V. (2012). PUENTES. 282 páginas. Recuperado el 21 de Octunre de 2016, de http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/ingenieria-civil/contenido/TEMA%207%20PUENTES.pdf Palmer, H. (1930). Rigid Frame Bridge Design. Athens: Georgia School of Technology. Portland Cement Association. (1936). Analysis of rigid frame concrete bridges. Chicago: Cornell University Library. Rodríguez Serquén, A. (2012). Puentes con AASHTO-LRFD 2010. Perú. Seminario Manrique, E. (2004). Guía para el Diseño de Puentes con Vigas y Losas. Piura, Perú: Universidad de Piura. Recuperado el 20 de Octubre de 2016 Shakya, K., Watanabe, K., Matsumoto, K., & Niwa, J. (2012). Application of steel fibers in beam – column joints of rigid-framed railway bridges to reduce longitudinal and shear rebars. Tokyo: Construction and Building Materials. UPC Universidad Politécnica de Catalunya. (Abril de 2005). Estudio Aplcado de los costos de la prevención de Riesgos Laborales en la construcción de Puentes de Hormigón. 75 páginas. Recuperado el 18 de Octubre de 2016, de http://hdl.handle.net/2099.1/3284
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