ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PUENTES
Ing. Mejía Oncoy Elencio
PUENTES ATIRANTADOS
TARAZONA RINCON, MARIA CRISTINA LOPEZ DOLORES, ROBINSON ROBLES ROMERO, XAILA GARCIA QUILCA, ALCIRA
Huaraz, Octubre del 2017
Los puentes son obras civiles de las que se requiere su integridad estructural y accesibilidad después de la ocurrencia de un sismo. Sin embargo, a través de los años se ha demostrado que estos sistemas son muy vulnerables, lo cual quedó de manifiesto tras la ocurrencia los grandes sismos. En todos ellos quedó claro que los puentes, por su importancia estratégica de comunicación inter e intra-urbana, son sistemas para los que se debe garantizar su uso para las comunicaciones de emergencia. De entre las tipologías de puentes existentes, los puentes de tirantes son sin duda una alternativa muy importante, puesto que permiten salvar grandes luces y ser, junto a los puentes suspendidos, las obras de ingeniería más impresionantes por su envergadura, impacto y belleza estética. Hoy en día, la tecnología permite alcanzar luces en puentes de tirantes de más de 1000 m, todo un récord, y alcanzar alturas impresionantes. Pese a su aparente sencillez, el diseño y construcción de obras de este tipo resultan un gran desafío en todas sus etapas; siendo sin duda la consolidación de la técnica de la construcción en voladizo la que ha permitido el desarrollo de las mega-estructuras que podemos apreciar hoy en día. Resulta muy importante en puentes de tirantes un adecuado diseño conceptual que tome en cuenta seriamente los aspectos del diseño sísmico, sobre todo en zonas de sismicidad moderada a alta. En este sentido, es importante resaltar que el mejor desempeño sísmico será aquel que esté relacionado con la estructura que tenga mayor uniformidad, sencillez y simetría. Es sabido que cuando se cumplen estos requisitos, el desempeño será satisfactorio. El problema del buen comportamiento sísmico no se resuelve con métodos complejos o procesos engorrosos y tediosos de cálculo, sino evitando los problemas, siendo la simpleza y armonía sinónimos de buen desempeño.
Los puentes son sin duda las obras de Ingeniería Civil más atractivas desde el punto de vista estructural. Su relativa simplicidad conceptual los hace fácilmente comprensibles, sin embargo es esta aparente sencillez la que debe preocuparnos, sobre todo cuando tratamos de comprender su comportamiento sísmico. Pero no sólo desde el punto de vista estructural son apasionantes estas obras: el proyecto, construcción, conservación, explotación, así como los aspectos funcionales, estéticos, económicos y políticos los hacen sumamente interesantes, pues constituyen un acontecimiento social a toda escala (Maldonado
et al ,
1998).
De entre ellos, son los puentes soportados por cables los que más interés han despertado debido a que permiten alcanzar actualmente las mayores luces, resolviendo así muchos problemas prácticos en los que es necesario atravesar grandes extensiones sin disponer de ningún tipo de apoyo intermedio. Estos puentes son hoy en día un desafío desde todo punto de vista, debido a las exigencias cada vez mayores de alcanzar claros más grandes, y así como en los grandes rascacielos, constituyen muchas veces más bien un capricho humano o ese deseo competitivo e insaciable de romper récords y vencer los obstáculos a cualquier costo. Los esquemas soportados por cables que hoy en día más se emplean son sin duda los puentes suspendidos y los puentes de tirantes o atirantados, tal como se aprecia en la Fig.1-1 (Podolny y Scalzi, 1986).
Los puentes atirantados consisten en un tablero soportado por cables rectos e inclinados (tirantes) fijados en los mástiles. Ese tipo de estructura es altamente hiperestática, bastante sensible a la secuencia constructiva, sin embargo debido a la flexibilidad del tablero, este acepta una gama considerable de fuerzas sobre carga permanente, tal que la flexión del tablero sea limitada. La presente investigación tiene como objeto estudiar diferentes métodos para la obtención de una buena distribución de fuerzas en los tirantes de los puentes atirantados. En cuanto a la tipología, el puente atirantado admite variaciones significativas, tanto en su estructura como en su forma: a) Longitudinalmente pueden tener dos torres y ser simétricos, o una sola torre desde donde se atiranta todo el vano principal. b) Pueden tener dos planos de atirantamiento situados en los bordes del tablero o un solo plano situado en su eje. c) Pueden tener muchos tirantes muy próximos o pocos tirantes muy separados.
d) Los tirantes paralelos llamado disposición en arpa y tirantes radiales en abanico. e) Las torres se pueden iniciar en los cimientos o se pueden iniciar a partir del tablero de forma que el conjunto tablero-torres-tirantes se apoya sobre pilas convencionales. f) Las torres pueden tener diversas formas pueden estar formadas por dos pilas, por una sola, pueden tener forma de A, forma de H, de Y invertida, de A, de A cerrada por la parte inferior(diamante) una sola pila.
Los puentes atirantados sobre todo si tienen varias torres, pueden parecer muy parecidos a los colgantes, pero no lo son. En la construcción en un puente colgante se disponen muchos cables de pequeño diámetro entre pilares y los extremos donde se anclan al suelo o un contrapeso, estos estos cables, son la estructura primaria en carga del puente. Después antes de monta al tablero, se suspenden cables del cable principal y mas tarde se monta este sosteniendo de dichos cables, para ello el tablero se eleva en secciones separadas y se instala. Las cargas del tablero se transmiten a los cables y de este al cable principal y luego a las torres, los contrapesos extremos reciben una gran fuerza horizontal. En los puentes atirantados las cargas se transmiten la torre o pilar central a través de los cables, pero al estar inclinados también se transmiten por la s ección hasta el pilar donde se compensa con la fuerza recibida por el otro lado no con un contrapeso en el extremo por ello no requieren anclajes en los extremos.
Los puentes atirantados, sobre todo si tienen varias torres, pueden parecer muy parecidos a los colgantes, pero no lo son. En la construcción, en un puente colgante se disponen muchos cables de pequeño diámetro entre los pilares y los extremos donde se anclan al suelo o un contrapeso, estos cables, son la estructura primaria de carga del puente. Después, antes de montar la pista, se suspenden cables del cable principal, y más tarde se monta esta, sosteniéndola de dichos cables, para ello, la pista se eleva en secciones separadas y se instala. Las cargas de la pista se transmiten a los cables, y de este al cable horizontal, y luego, a los pilares, los contrapesos de los extremos, reciben una gran fuerza horizontal. En los puentes atirantados, las cargas, se transmiten al pilar central a través de los cables, pero al estar inclinados, también se transmiten por la propia sección, hasta el pilar, donde se compensa con la fuerza recibida por el otro lado, no con un contrapeso en el extremo, por ello, no requieren anclajes en los extremos.
En este tipo de puente, el pilón, no está situado en el mismo plano de la pista (longitudinal), sino un poco a un lado, este diseño permite puentes con pistas algo curvas.
Este tipo de puentes, usa un pilar a un extremo del puente al que llegan los cables. Estos puentes no son muy diferentes respecto a los atirantados normales. La fuerza de los cables puede ser compensada continuando estos hasta unos contrapesos en el suelo. Los cables, pueden ser sustituidos por pilares de hormigón prensado trabajando a compresión.
Es un puente similar al anterior, salvo que los cables no continúan hasta el contrapeso, sino que están anclados al pilón, y el pilón sujeta la fuerza de los cables, debido a su propio peso y su anclaje en el terreno. Uno de los pioneros de este diseño es Santiago Calatrava con el Puente del Alamillo en Sevilla.
El concepto de un puente debe ser seleccionado teniendo en cuenta el número de parámetros específicos relacionados con las características de la nueva unión que será construida. Los principales métodos constructivos de los puentes e viaductos son: a) Cimbramiento general. b) Dovelas sucesivas. c) Lanzamientos progresivos.
Este método es usado generalmente, cuando el puente está localizado en una zona de baja altura y suelo con buena capacidad resistente. El cruce no esta congestionado con rutas o vías de tren, y el puente no tiene que atravesar una corriente de agua.
El método consiste en la construcción de la obra en segmentos(dovelas), formando trechos que avanzan sobre el vano. Existen dos técnicas básicas para la construcción de puentes mediante el sistema de dovelas sucesivas, una de ellas emplea dovelas pre_ moldadas las cuales se levantan mediante guinchos y otros equipamientos y la otra técnica consiste construir dovelas “” Cuando las dovelas son moldadas “” el hormigado es ejecutado con auxilio de encofrados deslizantes ancladas en los trechos ya construido y cuando se alcanza la resistencia de proyecto establecía las dovelas son protendidas. Las dovelas pre-moladas son fabricadas en el obrador y transportadas por medio de reticulados metálicos hasta la extremidad del voladizo, donde son protendidas longitudinalmente. Entre las dovelas se puede usar o no adhesivo epoxi que sirve para lubricar la superficie, disminuir los efectos de las imperfecciones de las juntas entre las mismas, impermeabilizar la junta y contribuir para la transmisión de las tensiones provenientes delos esfuerzos cortantes.
En este método la superestructura es fabricada en los márgenes de la obra y es empujada para su posición final a lo largo de los vanos. Esta se comporta como un voladizo a medida que va avanzando hasta encontrar el próximo apoyo. Cada segmento es ejecutado sobre formas metálicas fijas, siendo hormigonado contra el anterior ya concluido, permitiendo continuidad en la armadura de la región de las juntas. La estructura es empujada por gatos hidráulicos y sobre aparatos de apoyo deslizantes de teflón sobre los pilares que, dependiendo del tamaño del vano pueden ser permanentes o provisorios. Una vez que el trecho delantero de la estructura queda en voladizo hasta alcanzar los apoyos s utiliza un reticulado metálico fijado a este lugar que alcanza el apoyo antes de la estructura disminuyendo el voladizo y reduciendo el momento negativo durante la fase constructiva.
Los cables en los puentes atirantados pueden ser combinados en alguna de las siguientes tres formas principales: 1. En sistema de abanico, “fan”: los cables están anclados en lo más alto de las torres, desde un mismo punto, lo que implica problemas en los detalles de las anclas.
2. El sistema de arpa, “harp”: los cables se diseñan de manera pa ralela; las componentes horizontales de la tensión en los cables que soportan la viga, cerca
de la torre son más grandes que aquellos que se utilizan en el sistema de abanico. Con este sistema, las torres deben ser más altas disponer de una mayor inclinación, lo que incrementa la rigidez del sistema. Estéticamente, el sistema de arpa se considera como el más agradable a la vista.
3. Sistema de semi-arpa, “semi-harp”: Para evitar el problema del amontonamiento de los anclajes de los tirantes en el ápice de la torre, estos están espaciados a distancias convenientes en la parte superior de la torre, sin que se llegue a un arreglo paralelo.
El índice de fallas que se presentan en los puentes atirantados en servicio, se debe a cuatro factores
fundamentales: a problemas de diseño; a los materiales constitutivos; al
procedimiento constructivo; y a la operación, bajo cargas vivas. Estos tipos de falla conducen a que en los materiales se presenten defectos o agrietamientos que pueden extenderse o crecer; y debido a las cargas a que se encuentra sometida la estructura en un momento dado, pueda colapsarse. O bien las fallas tener su origen en el proceso de construcción ya sea porque no hubo un control de calidad, y por lo mismo no se cumplió con las especificaciones de la obra. Las fallas que se deben a las cargas de operación es porque las cargas vivas que se presentan son extraordinarias; o porque se rebasaron las cargas de diseño, las cuales pueden ser por el incremento del flujo vehicular; o porque se presenten vientos con velocidades mayores a las normales; o debido a un sismo de intensidad mayor a la de diseño; o bien por una combinación de ellas. En general, las causas pueden clasificarse de la siguiente manera: 1. Falla por problemas de diseño 2. Fallas en el material constitutivo 3. Fallas por problemas generados durante el proceso constructivo
4. Fallas por condiciones de operación no consideradas Para cada una de las posibles causas principales, existen causas secundarias de probabilidades de falla descritas a continuación:
1)
Las fallas por problemas de diseño tienen su origen en otras causas secundarias, que se clasifican de la siguiente manera:
Errores en la selección del material constitutivo.
Fallas en la especificación de la capacidad estructural del puente.
Indefiniciones en el proceso constructivo, o errores en el mismo.
Fallas geométricas en el diseño estructural.
Generalmente, las causas por problemas de diseño se catalogan como poco probables; sin embargo, estos problemas pueden calibrarse con el comportamiento estructural del puente, durante su operación. Es más probable que los problemas se presenten en algunas partes específicas del puente, por ejemplo, la capacidad estructural de los elementos de anclaje para resistir cargas dinámicas, ya q ue pueden tener poca resistencia o defectos internos. 2)
Las causas más importantes identificadas para generar fallas en los materiales son:
Propiedades mecánicas deficientes del acero
Proceso de fabricación inadecuado
Composición química deficiente
Tratamiento térmico mal aplicado
Este tipo de fallas tiene una alta probabilidad de ocurrencia debido generalmente al mal control de calidad en el proceso de fabricación de piezas estructurales, que no garantiza la homogeneidad y especificaciones del material, lo que implica variaciones en el material con que es construido un elemento, que puede afectar la integridad del puente. 3)
Este tipo de fallas se caracteriza por tres problemas secundarios:
Maquinado
Soldadura
Relevado de esfuerzos
Estas fallas se clasifican como probabilidad media; su consideración es importante debido a que sus efectos se pueden presentar en un mediano o largo plazo en combinación con algunos de los problemas que suelen existir en el material constitutivo. 4)
A excepción de las cargas laterales por efecto del viento, estas causas se consideran de baja probabilidad por el comportamiento global de un puente atirantado; sin embargo, no pueden descartarse las condiciones de tráfico, que tienden a aumentar con el paso del tiempo y rebasar las consideraciones que se tomaron en el diseño.
Considerando los factores anteriores, los problemas de falla más importantes que se identifican en los puentes atirantados, basados en las evi dencias técnicas disponibles, como reportes de inspección, informes de falla y reportes del comportamiento de los puentes durante y después de su construcción; son los de la tabla; y se proponen las soluciones más adecuadas para resolver cada caso.
Los puentes siempre serán un reto para nosotros como ingenieros pero sin duda la construcción de uno de ellos significa uno de los mayores logros en nuestra carrera.
