Puente Atirantado. El diseño y la tecnología de los puentes atirantados se desarrollaron fundamentalmente a finales del siglo XX para permitir la construcción de puentes con mayores claros y alturas, además de la estética y versatilidad arquitectónica que permiten. Contrario a lo que se puede pensar, el diseño conceptual de los puentes atirantados data del año de 1784, cuando un carpintero alemán propuso una estructura totalmente hecha de madera. A inicios del siglo XIX, en Europa, se construyeron algunos puentes que consideraban elementos de atirantamiento con barras o cadenas. A finales de esa centuria se construyeron puentes colgantes de gran tamaño, combinando el sistema de atirantamiento, tales como los diseños típicos de J Roebling en los Estados Unidos, siendo el de Brooklyn en Nueva York, uno de los más conocidos. A partir de la mitad del siglo XX, después desp ués de la Segunda Guerra Mundial Mun dial y una vez desarrollado el uso de cables para el sistema de atirantamiento se trazaron en Alemania y gran parte de Europa varios puentes que adicionalmente incorporaban diseños revolucionarios, y que desde el punto de vista arquitectónico los hicieron particularmente especiales y llamativos. Dentro de esta época destacan los correspondientes a Theodor Heuss (1958) y el Fiedrich Ebert (1967) en Alemania, por mencionar algunos de los más importantes. Posteriormente, estos diseños empezaron a levantarse en Estados Unidos, Japón y el resto del mundo, siendo a la fecha uno de los conceptos más empleados para claros de gran tamaño. En general, se sabe que los puentes atirantados son los adecuados cuando ante claros entre 100 y 500 m; sin embargo, la tecnología actual ha permitido llegar hasta claros mayores a los 800 m, tales como el Tatara en Japón (890 m) o el Pont de Normandie en Francia (856 m); o bien, de diseños novedosos que por su estética son particularmente conocidos, como es el caso del de Santiago Calatrava para el puente del Alamillo en Sevilla, España.
Figura 1. Puente Pont de Normandie en Francia.
Figura 2. Puente de Tatara en Japon.
Figura 3. Puente del Alamillo en Sevilla, España.
Los puentes atirantados se componen de tres elementos básicos: el tablero, los cables o tirantes, y las pilas o torres. En general, el diseño de estos elementos se relaciona íntimamente con los otros, antes de estudiar el comportamiento de estos, vamos a detallar cada uno de estos elementos, y como se relacionan entre sí, hay dos aspectos fundamentales a tratar el tipo de suspensión, y la distribución de los tirantes. La distribución y el arreglo del sistema de suspensión, no sólo afecta el comportamiento y desempeño estructural del puente, sino también sus dimensiones, los métodos constructivos y, al final, el costo total de construcción. Los sistemas de suspensión pueden ser, en general, de tres diferentes tipos. El primero, de suspensión central o en el eje; el segundo, de suspensión lateral o en los bordes y el último, de suspensión en tres planos.
Figura 4. Sistemas de suspensión en puentes atirantados. En la distribución geométrica de los tirantes, generalmente se consideran cuatro diferentes tipos de diseño, que son los de tipo arpa o de cables paralelos y arreglo simétrico; los de tipo abanico, desplazados todos los cables desde la parte alta de las pilas y con distribución simétrica; los de tipo semi arpa, cuyos cables no son paralelos y optimizan la distribución de cargas con el tamaño de la pila; y finalmente, los asimétricos.
Figura 5. Distribución geométrica de los tirantes. Tablero. El tablero, interviene en el esquema resistente básico de la estructura del puente atirantado porque debe 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. La sección transversal del tablero depende en gran medida de la disposición de los tirantes. En los puentes atirantados en el eje, generalmente es un cajón cerrado con voladizos laterales, y en los puentes atirantados en los bordes, generalmente está formada por dos vigas longitudinales situadas en los bordes del tablero, enlazadas entre sí por vigas transversales.
Figura 6. Sección transversal tablero atirantado en el eje.
Figura 7. Sección tablero atirantado en los bordes. Pilas o torres. Las pilas son elementos verticales anclados en el la superficie del suelo que constituye el vano del puente, estas se van a encargar de servir como apoyo a los tirantes, y son las encargadas de resistir los esfuerzos que estos le transmiten debido a la flexión del tablero del puente, estas a su vez transmiten los esfuerzos a las fundaciones en el suelo, existen varios diseños que, más que nada, dependen del concepto arquitectónico y la estética que el diseñador quiera dar al puente; sin embargo, las más comunes son las de forma de: triángulo; diamante; de una columna; de doble columna paralela; o de doble columna con vigas transversales. La selección del tipo de pila depende en gran medida del ancho del tablero, la altura y el claro del puente, así como del sistema de atirantamiento.
Figura 8. Diseño típico de pilas con atirantamiento en el plano central. Las pilas en forma de A (primera figura a la izquierda) se usan sobre todo en sistemas de distribución de tipo abanico, concurriendo en la punta todos los
cables, mientras que las pilas en forma de A ensanchada (segunda figura a la izquierda), se usa en sistemas de distribución de arpa y semi arpa, donde la mayoría de los esfuerzos están concentrados en el centro de masa de la unión tirantes torre.
Figura 9. Diseño típico de pilas con atirantamiento en planos laterales.
Tirantes y elementos de anclaje.
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.
Figura 10. Principales tipos de cables utilizados en puentes atirantados 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.
Figura 11. Diseños típicos para los sistemas de anclaje para a) Barras, b) Alambres y c) Tendones.
Figura 13. Esquema de un puente atirantado.
Cálculo estructural de un puente atirantado. Es dificultoso presentar una descripción detallada de cómo se diseña un puente atirantado, lo cual es un tema complejo y requiere de un tratamiento más formal; sin embargo, es importante contar con una descripción general de los aspectos que intervienen en el diseño para comprender la compleja interacción que hay entre los diferentes elementos que los constituyen. Los puentes atirantados son estructuras altamente redundantes (comportamiento estructural que permite la distribución de fuerzas internas para una gran disipación de energía), cuyas cargas se distribuyen de distintas formas a través de los diferentes tirantes y columnas, por lo que el proceso de diseño resulta particularmente complejo, teniendo como objetivo principal optimizar el arreglo de los tirantes y las dimensiones de las secciones transversales del tablero y las columnas. En general, el proceso de diseño comprende varias etapas, a continuación se muestra un esquema con las etapas de diseño de un puente atirantado.
Figura 12. Diagrama de flujo del proceso de diseño de un puente atirantado. En el diseño se toman en cuenta dos tipos de análisis el estático y el dinámico. De forma específica, en el estudio estático se consideran los efectos de las cargas muertas y las cargas vivas para establecer los momentos, esfuerzos cortantes y las deformaciones máximas basados en la teoría de diseño de estados límites, considerando los factores de resistencia y carga de la estructura. Para las cargas vivas se toma en cuenta el peso del tráfico vehicular, el viento, los sismos, las cargas de pre esfuerzo y los asentamientos diferenciales, según el tipo y tamaño del puente, o el lugar en donde se vaya a construir. Para analizar el efecto del peso de los vehículos se utilizan dos sistemas de carga; las cargas concentradas y las cargas distribuidas. Los sistemas de cargas concentradas buscan simular el efecto de vehículos pesados con baja
probabilidad de ocurrencia; mientras que las cargas distribuidas simulan el paso de un convoy de unidades representativo para el tráfico considerado para esa carretera. Como parte del análisis dinámico, se evalúa el comportamiento vibratorio del puente mediante análisis modal; se determinan las frecuencias naturales y los modos de vibrar, y se evalúan las respuestas del puente ante el efecto del viento y/o de sismos. Por la longitud de este tipo de construcciones el estudio aerodinámico es fundamental, ya que las cargas del viento son proporcionales al cuadrado de su velocidad y se presentan en la dirección lateral del puente; por lo que en condiciones extremas pueden someter al puente a condiciones críticas con vibraciones o desplazamientos combinados en direcciones torsional, transversal y horizontal. Para el análisis estructural, por lo general se emplean varios modelos de elementos finitos, tanto bidimensionales como tridimensionales, dependiendo del alcance que se quiera y de la etapa de diseño que se trate. Comportamiento estructural de un puente atirantado. Consideremos un puente atirantado sometido a una carga distribuida (carga repartida en cierta longitud de un elemento estructural) resultado de la sumatoria de las cargas muertas (cargas permanentes en una estructura, en nuestro caso sería el peso de la calzada del puente, tirantes y torres), y las cargas vivas (cargas temporales en una estructura, en nuestro caso el peso del tráfico vehicular).
Figura 13. Carga sobre puente atirantado. Esta carga va a producir un esfuerzo de flexión en el tablero del puente (vigas), es decir va a producir una deformación en las vigas que componen el tablero, en la figura observamos a grandes escalas la deformación del tablero de un puente con las distintas distribuciones geométricas de los tirantes, las mayores
deformaciones se producen con distribución en forma de arpa, y las menores deformaciones con distribuciones en forma de abanico. Este esfuerzo de flexión está relacionado directamente con la carga repartida y con la luz (distancia entre las pilas) del puente. El esfuerzo de flexión es absorbido por la misma viga del tablero, cuya sección se calcula para soportar parte de la flexión producida, y también por los tirantes, los cuales trabajan a tracción, resultado del estiramiento o alargamiento al que se ven sometidos los tirantes por la deformación de la estructura, la dirección del esfuerzo de tracción es la misma dirección que tiene la inclinación del tirante.
Figura 14. Esfuerzo de tracción en tirantes.
Este esfuerzo de tracción dependiendo del apoyo que tenga con el tablero y con las torres, generalmente un apoyo simple, produce debido a la inclinación del tirante dos reacciones una vertical y una horizontal, de las reacciones verticales van a depender las secciones a utilizar en los tableros y en las torres, por lo general las reacciones horizontales se contrarrestan, el conjunto de tirantes en la torre le van a transmitir a las torres además los esfuerzos de tensión generados por la deformación del tablero.
Figura 15. Distribuciones de los momentos flexionantes en la pila para la configuración de a) arpa y b) abanico, y para diferentes momentos de inercia del tablero. En la figura anterior observamos la distribución de los momentos flectores en las torres del puente, en una configuración de arpa y de abanico para diferentes luces, se puede observar que en la configuración de abanico el comportamiento de la torre es más estable, teniendo distribuciones más lineales, los esfuerzos máximos son parecidos en ambos casos. Por ultimo estos esfuerzos son transmitidos por las torres a la base del suelo por medio de las fundaciones de las mismas.
