ESTADO DEL ARTE DE LOS DIFERENTES SISTEMAS CONSTRUCTIVOS DE PUENTES Ing. Diana Cristina Arias Aldana – Ingeniera Civil Universidad de La Salle Ing. María Ximena García Narváez – Ingeniera Civil Pontificia Universidad Javeriana
Sin duda, las vías rurales y urbanas son elementos esenciales para el desarrollo social y económico de toda sociedad, muchas de estas comunidades comunidades se encuentran situadas en sitios montañosos montañosos o semidesértico, en los que el acceso a los servicios básicos de salud y educación es muy complicado. Si bien su construcción es indispensable, ésta debe planearse de manera respetuosa del medio ambiente, así como cumplir con una serie de requisitos técnicos que la faciliten y la economicen. El contenido de este documento, describe algunos de los métodos y sistemas constructivos de puentes, desarrollados y empleados hasta el momento, para ello, se recopiló y seleccionó información de una serie de documentos en los que se desarrollan los temas principalmente con base a diferentes experiencias constructivas.
1 INTRODUCCIÓN Se define proceso constructivo al conjunto de fases, sucesivas o traslapadas en el tiempo, necesarias para la materialización de un edificio o de una infraestructura. Si bien el proceso constructivo es singular para cada una de las obras que se pueda concebir, si existen algunos pasos comunes que siempre se deben realizar. En el proyecto de un puente, el problema fundamental que se plantea es saber cómo va a ser, es decir qué tipo de estructura va a tener, qué material se va a utilizar, cuáles van a ser sus luces, etc. Cómo va a ser el puente, viene condicionado por diferentes factores; el primero de ellos es conocer su comportamiento resistente, es saber cómo va a ser su estructura. Pero además de saber cómo va a ser el puente, es necesario saber cómo se va a hacer, es decir, el procedimiento a seguir para llevar a buen fin su construcción. Este conocer de cómo se va a hacer, va adquiriendo cada vez más importancia, a medida que crece la luz del puente, llegando a ser casi decisivo en las grandes luces. Dadas las posibilidades tecnológicas actuales, la construcción de un puente, salvo los muy pequeños, se deberá dividir en partes; este fraccionamiento será tanto mayor cuanto mayor sea la luz del puente,
aunque en ello intervienen otros factores que pueden corregir este planteamiento planteamiento básico. El puente se deberá construir por adición de partes sucesivas, de forma que en cada etapa de construcción se crea una estructura parcial que se debe resistir a sí misma y debe permitir la construcción de la fase siguiente; o bien, se puede utilizar una estructura auxiliar que resista las diferentes partes, hasta que la estructura esté acabada, se resista a sí misma, y entonces se pueda retirar la estructura auxiliar.
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SISTEMAS CONSTRUCTIVOS
2.1 GENERALIDADES Cuando se habla de sistemas constructivos se debe diferenciar estos de los métodos constructivos, pues estos definen el procedimiento en general, es decir en sitio o prefabricados, pretensado o postensado, por otro lado el sistema constructivo se refiere a un conjunto de dispositivos dispositivos y técnicas técnicas aplicadas con determinada tecnología que permiten lograr un método constructivo, por ejemplo, un sistema de transporte y colocación de vigas prefabricadas mediante una viga de Lanzamiento, en este aspecto se debe hacer énfasis dado que hay grandes ventas entre un método u otro, dependiendo si es in situ u pretensado, por ejemplo los puentes de hormigón pretensado se utilizan en un amplio rango de luces y 1
su diseño se hace dependiendo de la longitud que deben alcanzar. Los puentes de vigas simplemente apoyadas, de elementos prefabricados, pueden fácilmente lograr luces de hasta 40 metros. Con un puente en volados sucesivos construidos in situ se pueden alcanzar luces máximas de hasta 300 metros. Con puentes atirantados con sistemas de vigas y losas pretensadas se puede llegar a cumplir una luz máxima de hasta 800 metros, en este artículo se hablara de los sistemas constructivos de acuerdo a la tipología y métodos constructivos actuales.
2.2 PUENTES ATIRANTADOS Los puentes atirantados consisten en de un tablero soportado por cables rectos e inclinados fijados en los mástiles. Este 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 de instalación de los tirantes. Es importante escoger una distribución apropiada para estas fuerzas sobre carga permanente, tal que le flexión del tablero sea limitada. Este tipo de puentes se han tornado más comunes debido a su economía y estabilidad para vanos grandes (200 a 1000 m) pero principalmente por su apariencia atractiva. Tiene tres partes principales: tablero, mástiles y tirantes. El tablero es soportado elásticamente en varios puntos a lo largo de su extensión por cables inclinados (tirantes) fijados en el mástil. Las cargas permanentes y móviles son transmitidas al mástil mediante los tirantes con una estructura reticulada, con tirantes traccionados mientras el mástil y el tablero quedan comprimidos. Como el puente construido por fases y es mixto (acero y concreto), debido a que tiene piezas de concreto como el mástil y el tablero que sufre retracción y fluencia; el puente también sufre estos fenómenos. Estos efectos alteran las deformaciones y los esfuerzos internos en estos puentes, haciendo que los esfuerzos tiendan o se aproximen a aquellos que se obtienen en una obra “in situ”. Por esta razón, es importante tener una buena distribución de fuerzas en la configuración final. Es importante destacar que los inevitables desvíos de construcción alteran estos valores. Por tanto, siempre es conveniente tener el tablero y su postensión
dimensionados con cierto margen que tolere estos desvíos. Los puentes atirantados de mayor longitud del mundo se encuentran en China. Para ser exacto, de los diez más largos del mundo siete se encuentran en el país asiático. El Puente de Tatara (Imagen No. 1) se encuentra en Japón. Une las islas de Oomi e Ikuchi. Se inauguró en 1999, después de seis años de construcción. Tiene una longitud de vano de 890 m. Imagen No. 1 - Puente de Tatara
El puente de Normandía (Imagen No. 2) se encuentra en Francia. Une la ciudad de Honfleur con El Havre. Tiene una distancia aproximada de 2140 m, de los cuales más de 850 se encuentran entre los dos pilares del puente. Se terminó de construir en 1995. Imagen No. 2 - Puente de Normandía
El puente Nanjing Third Yangtze (Imagen No. 3) se encuentra en Nanjing, Jiangsu, China. Se finalizó la 2
obra en 2005. Y tiene una longitud de vano de 648 m. Imagen No. 3 - Puente Nanjing Third
deben salvar la luz del puente y llegar de contrapeso a contrapeso. El montaje del tablero puede ser por voladizos sucesivos, avanzando la ménsula desde una péndola a la siguiente, de la que se cuelga; el avance se hace simétricamente desde la torre hacia el centro del vano principal y hacia los extremos. Desde el propio tablero ya construido se van montando piezas más o menos grandes, elevándolas mediante grúas situados sobre él, hasta cerrar el tablero en el centro del vano. Imagen No. 5 - Colocación del cable principal en puentes colgantes
El puente atirantado de Ting Kau (Imagen No. 4) se localiza en Hong kong. Se inauguró en 1999. Y es uno de los pocos que tiene múltiples vanos. Imagen No. 4 - Puente atirantado de Ting Kau
2.3 PUENTES COLGANTES Los puente colgantes, consisten en una estructura formada por los cables principales, que se fijan en los extremos de la luz a salvar, y tienen la flecha necesaria para soportar mediante un mecanismo de tracción, las cargas que actúan sobre el tablero. El cable principal que debe salvar el vano entre las dos torres debe ser tendido en el vacío, (Imagen No. 5) esta fase es la más complicada de la construcción de los puentes colgantes, Inicialmente se montan unos cables auxiliares, que son los primeros que
Otro sistema de montaje utilizado consiste en dividir el tablero en dovelas de sección completa que se llevan por flotación bajo su posición definitiva, y se elevan a ella desde los cables principales mediante cabrestantes; una vez situadas en su posición definitiva se cuelgan de las péndolas. La secuencia de montaje en este caso es generalmente el inverso del anterior; se empiezan a colgar las dovelas centrales, y se avanza simétricamente hasta llegar a las torres.
2.4 PUENTES EMPUJADOS Los puentes empujados son aquellos en los que en lugar de ir colocando los segmentos del tablero, ya sean prefabricados o fabricados in situ, uno detrás de otro se añaden por detrás a la vez que se empuja todo el conjunto sobre los soportes. Este puente sobre el canal Beauharnois en Canadá es el segundo puente empujado más grande del mundo, con una longitud de 2.550 metros. Por lo visto este tipo de método de construcción es recomendable para puentes de más de 600 metros 3
de longitud con los más cortos no es económicamente viable y con una separación entre soportes de entre 30 y 60 metros, aunque se pueden usar también en puentes con intervalos de entre 20 y 90 metros. El procedimiento consiste en fabricar o montar el tablero detrás del estribo y después empujarlo deslizándolo sobre las pilas hasta alcanzar su posición definitiva al llegar al otro estribo (Imagen No. 6). Este tablero, también puede componerse mediante dovelas prefabricadas u hormigonadas “in situ”. El método del empuje ha permitido resolver satisfactoriamente la construcción de puentes sobre obstáculos importantes situados por debajo del tablero. Este procedimiento es particularmente ventajoso en los puentes muy largos, pues permiten aplicar la construcción industrializada es rentable a partir de los 600 metros de longitud. Imagen No. 6 – Procedimiento constructivo puentes empujados
Este sistema constructivo fue desarrollado en la segunda mitad del siglo XIX para ubicar en su situación definitiva grandes viaductos metálicos de celosía. De hecho, la ligereza de los tableros metálicos y mixtos es una ventaja sobre los de hormigón, mucho más pesados; sin embargo es habitual la construcción de estos puentes con hormigón pretensado. Los puentes de ferrocarril, en particular, son estructuras idóneas para construirlas mediante empuja, pues han de soportar, además de su peso propio, unas cargas de servicio elevadas que obligan a dimensionar secciones con una gran capacidad resistente. Al construir el puente, donde sólo actúa el peso propio, el exceso de capacidad
puede aprovecharse sin sobredimensionar la estructura. El primer viaducto de hormigón empujado fue el Puente de Ager en Austria (Imagen No. 7) en 1959, donde se usaban dovelas cortas prefabricadas; sin embargo, muchos autores citan el puente sobre el río Carona (Venezuela), terminado en 1963, de Leonhardt y Baur como iniciadores de esta técnica con el hormigón. Posteriormente se consolidó el método de dovelas largas fundidas “in situ” en una instalación industrializada que se monta detrás del estribo, aunque sigue siendo habitual el empleo de dovelas de entre 10 y 25 metros de longitud, tanto fabricadas “in situ” como prefabricadas. El campo de luces óptimo para los tableros empujados se encuentra entre los 30 y 60 metros, aunque de forma excepcional dicho intervalo se amplía desde los 20 a los 90 metros. Imagen No. 7 - Puente de Ager en Austria
2.5 PUENTES EN DOBLE VOLADO Cada voladizo está formado por dovelas, prefabricadas o coladas en sitio, las cuales son colocadas en voladizo con respecto a la anterior, y solidarizadas a la precedente mediante pres fuerzo. Después del pos tensado este voladizo se vuelve auto portante y sirve de apoyo para construir las dovelas subsecuentes. Las ventajas del sistema son las siguientes. Eliminación de obra falsa. Posibilidad de dejar libre para circulación el claro a cruzar. Reducción y mejor aprovechamiento de moldes de cimbrado.
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Aumento del rendimiento de mano de obra (ciclos repetitivos). Posibilidad de trabajar simultáneamente en varias pilas. Rapidez en el avance de obra. Un ejemplo de este tipo de construcción es el Puente San Pablo (Imagen No. 8), terminado de construir en el año 1996, construido en la Carretera Santiago - Sn Francisco Provincia de Veraguas – Panamá con una longitud de 126 m.
2.6.2 Método de lanzamiento por segmentos La fabricación de puentes de hormigón mediante este procedimiento requiere de los componentes siguientes: Planta de fabricación del tablero: Consta fundamentalmente del taller de ferralla, encofrado y planta de hormigonado. Suele estar protegido de la intemperie (Imagen No. 10). Imagen No. 10 – Planta de fabricación del tablero
Imagen No. 8 - Puente San Pablo
Su misión es disminuir el peso del puente en el proceso de lanzamiento. Es una estructura metálica conectada a la sección transversal frontal del puente (Imagen No. 11). Pico de lanzamiento:
2.6 PUENTES LANZADOS A pesar de la denominación común de puentes lanzados existen, principalmente cuatro variedades de colocación del puente en su posición final que corresponden a las siguientes técnicas: 2.6.1 Lanzamiento por segmentos El puente es fabricado en segmentos y cuando el hormigón alcanza la resistencia suficiente se lanza el puente una distancia igual al segmento recién construido ( Imagen No. 9).
Imagen No. 11 – Pico de lanzamiento
Imagen No. 9 – Esquema de lanzamiento por segmentos
Si resulta necesario, y en general para vanos superiores a los 40 o 50 m., se disponen unas pilas provisionales a fin de acortar los vanos de mayor longitud (Imagen No. 12). Pilas auxiliares:
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Imagen No. 12 – Pilas auxiliares
2.6.3 Lanzamiento completo El puente es fabricado totalmente en un extremo; o más habitualmente se fabrican sendas mitades del puente desde los dos extremos y tras ello se lanzan hasta la ubicación definitiva (Imagen No. 15). Imagen No. 15 – Esquema de lanzamiento completo
Apoyos de neopreno-teflón: Facilitan el proceso de
lanzamiento debido a su reducido coeficiente de rozamiento (Imagen No. 13). Imagen No. 13 – Apoyos en neopreno
2.6.4 Giro del puente completo Una vez fabricado todo el puente, o las dos mitades en las porciones opuestas, se giran hasta la posición final. Imagen No. 16 – Esquema de giro completo
Proporcionan la fuerza de arrastre o de empuje para mover el puente en cada fase de lanzamiento (Imagen No. 14). Dispositivos de lanzamiento:
Imagen No. 14 – Dispositivo de lanzamiento
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2.6.5 Traslación transversal La translación transversal, o ripado, consiste en fabricar el puente en una porción paralela a la deseada y trasladarlo con un movimiento transversal hasta dicha ubicación
En caso de varios vanos la construcción se hace tramo a tramo. Una vez fundido un tramo se pretensa, descimbra y desencofra y se pasa al tramo siguiente (Imagen No. 19). Imagen No. 19 – Uno (Izq) y dos (der) equipos de cimbra y un encofrado
2.7 PUENTES DE VIGAS PREFABRICADAS DE HORMIGÓN O LOSAS ARTESAS Cada viga o losa se monta directamente, mediante el empleo de grúas (ver Imagen No. 17), entre dos pilas y se colocan a cierta distancia, constituyendo el soporte de las losas de hormigón que forma el tablero del puente (Imagen No. 18). Imagen No. 17 – Izado de vigas
Imagen No. 18 – Vigas formando soporte para el tablero
2.7.3 Construcción con cimbra desplazable Igual que el caso anterior pero ahora la cimbra se puede desplazar sobre elementos de rodadura (Imagen No. 20). Imagen No. 20 – movimiento de la cimbra y del encofrado sobre carril de rodadura inferior
2.7.1 Cimbramiento general Este método es usado generalmente, cuando el puente está localizado en una zona de baja altura y suelo con buena capacidad portante. El cruce no es congestionado con rutas o vías de tren, y el puente no tiene que atravesar una corriente de agua. 2.7.2 Cimbra estática Para puentes de pequeña altura (8 – 10 m) fundidos in situ, este método es ideal para pasos superiores.
2.7.4 Cimbras autoportantes o auto cimbras Equipo de trabajo formado por una viga de lanzamiento que permite la ejecución de tableros de hormigón en puentes y viaductos de gran altura, con 7
vanos de gran longitud, mediante un proceso constructivo autolanzable y sin necesidad de apoyarse en el terreno (Imagen No. 21). Imagen No. 21 – Cimbras autoportantes
2.7.5 Lanzamientos progresivos En este método la superestructura es fabricada en las márgenes de la obra y es empujada a 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 fundido contra el anterior ya construido, permitiendo continuidad en la armadura de la región de las juntas. La estructura es empujada por gatos hidráulicos y sobre aparatos de apoyos deslizantes de teflón sobre los pilares, que dependiendo del tamaño del vano, pueden ser permanentes o provisionales. Una vez que el trecho delantero de la estructura queda en voladizo hasta alcanzar los apoyos, se 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 (Imagen No. 22). Imagen No. 22 – Lanzamiento progresivo
2.8 Sistemas DE CONSTRUCCIÓN DE PUENTES ARCOS El método de construcción que se usaba para los puentes arco de hormigón era la cimbra, pero este método implica una alta exigencia cuando se trata de grandes luces, lo que aumentaba el costo y las
dificultades técnicas en la ejecución de su construcción, actualmente el método más usado es el de avance en voladizo en la construcción de arcos con luces importantes, en este capítulo se analizaron otras alternativas de métodos constructivos existentes en la actualidad. 2.8.1 Construcción por abatimiento. El procedimiento consiste en la construcción vertical de los semiarcos, y una vez terminados, girarlos alrededor de su extremo inferior, y una vez situados en su posición, se procede al cierre en clave, para la realización de este giro es necesario desplazar inicialmente el conjunto mediante cilindros hidráulicos dispuestos horizontalmente, hasta que el peso del semiarco actúa a favor, creando un efecto de desequilibrio que facilita el proceso, momento a partir del cual resulta preciso el empleo de sistemas para lograr un descenso controlado del conjunto. (Imagen No. 23) Imagen No. 23 – Construcción por abatimiento
2.8.2 Construcción por voladizos sucesivos atirantados con torre provisional. El método constructivo por voladizos sucesivos normalmente es usado en puentes de gran longitud el método consiste en construir la superestructura a partir de las pilas, agregando tramos parciales que se sostienen del tramo anterior, de manera que no esté sometido a grandes momentos, y es usado para puentes viga, aplicado este sistema a los puentes de arco (Imagen No. 24) se pueden usar dos sistemas básicamente: cable colgado: Se construyen torres provisionales en los estribos y se cuelgan cables de los cuales
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penden las dovelas que se empalman hasta cerrar el arco. carro de avance: el método se basa en el atirantamiento de las secciones hormigonadas desde una torre provisional
Imagen No. 24 –Construcción por voladizos sucesivos atirantados con torre provisional
Una característica habitual de este procedimiento es la eliminación, de las pilas del proceso, (contrario a procedimiento habitual en puentes viga) puesto que no desarrollan ninguna función resistente y crean importantes interferencias al paso de los tirantes, una vez cerrado el arco se procede a la ejecución de las pilas y el tablero por métodos convencionales. 2.8.3 Construcción por voladizos sucesivos con diagonales temporales (Ménsula triangulada). Este método crea una estructura triangulada avanzando en ménsula desde los arranques del arco. Para resistir la tracción debida a la flexión en los arranques por el trabajo en voladizo, hasta que se produce el cierre en clave, es necesario anclar el cordón superior, transmitiendo así la tracción generada al terreno, una vez cerrada la clave se liberan los anclajes y se suprime la triangulación provisional. Imagen No. 25 –Construcción por voladizos sucesivos con diagonales temporales
Una vez construidas las cimentaciones del arco y sus pilas, así como las de las pilas adyacentes con sus anclajes al terreno, se comienza el ciclo de avance, cuya secuencia se repite. (Imagen No. 25)
3 CONCLUSIONES En la actualidad existen gran variedad de sistemas constructivos en la industria de la construcción de estructuras como los puentes, esta variedad obedece a los diferentes tipologías de los mismos que a su vez han sido desarrolladas como respuesta a la necesidad de la sociedad de puentes de mayor longitud, y altura, que han obligado a la ingeniería civil a encontrar y usar nuevas tecnologías que permitan una construcción más eficaz, rápida y económica, es por esto que para determinar el sistema constructivo más adecuado, uno de los principales aspectos a tener en cuenta son las especificaciones técnicas de la estructura, planteado esto se pueden encontrar en la descripción de diversos autores, para un rango de utilización para diferentes sistemas constructivos (Tabla No. 1). Tabla No. 1 – Sistema constructivo vs luz principal SISTEMA CONSTRUCTIVO Puentes Colgantes Encofrado estructural autoportante
LUZ PRINCIPAL (m) A partir de 350 60-300
Avance por voladizos con antiratamiento
100-400
"In Situ" con carros
50-250
Con dovelas prefabricadas y vigas de lanzamiento
50-150
Empuje
30-60
Tramos sucesivos con cimbra autopotante
20-60
Cimbra convencional
5-100
Montaje con grua
5-50
Vigas de lanzamiento
20-50
Izado
30-100
In situ Arcos Dovelas in situ puentes atirantados
70-150 200-1000
vigas hormigón armado
15-25
vigas postensadas
25-80
Prefabricación
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SISTEMA CONSTRUCTIVO
LUZ PRINCIPAL (m)
Arcos por voladizos sucesivos atirantados con torre provisional.
30-300
vigas hormigón armado
10-20
Vigas pre o post tensadas
15-50
Voladizo sucesivos
50-150
Dovelas en puentes atirantados
200-1000
Mixto Vigas cajón empujadas postensadas
40-150
Se puede observar que la combinación de sistemas constructivos y diferentes tipologías puede dar lugar a métodos constructivos para puentes de mayor luz, y que anteriormente no era posible pero gracias al avance de la tecnología de la construcción hoy se puede pensar en utilizar estos sistemas en puentes que antes no era posible, tal es el caso de la construcción por voladizos sucesivos en puentes arcos, y puentes atirantados, donde pueden llegar a tener luces de longitud mayor a los puentes colgantes. Es de vital importancia para el constructor y el diseñador de puentes, el analizar los esfuerzos y momentos que deberán soportar los elementos estructurales, durante la construcción no solo de los elementos concernientes al puente, sino de los equipos y estructuras usadas en el proceso, como por ejemplo la nariz de lanzamiento, la torre provisional para el atirantamiento, o los anclajes y gatos, dado que el fallo de alguno de estos elementos, durante el proceso constructivo puede dar lugar a grandes costos y repercusiones en la obra. Los aspectos decisivos en la selección de un sistema constructivo, involucran los recursos de los que se dispone, y la plena identificación de la zona, como su accesibilidad, y suelos de cimentación, para el soporte de algunas estructuras involucradas en el proceso constructivo, de igual manera se debe determinar qué sistema es el más adecuado y viable dependiendo de la altura del puente, su luz, y tipología, como por ejemplo si es un puente de arco con tablero inferior o superior, puesto que dependiendo de esta mínima diferencia se puede emplear o no un método constructivo.
Se debe estudiar más a fondo la combinación de sistemas constructivos, materiales, técnicas, y maquinaria para el desarrollo de nuevos métodos constructivos que permita la construcción de puentes, en sitios de difícil acceso para equipos de construcción, bastante inestable, o con grandes limitaciones de espacio y topografía, situación bastante usual en el relieve Colombiano y que presenta grandes retos para los constructores, tal es el caso de nuevos proyectos cuyo concepto se basa en una sucesión de puentes, viaductos y túneles, donde es común que se presente situaciones donde la construcción de un estribo de un puente puede interferir con la construcción del portal del túnel dado el limitado espacio, y las grandes pendientes presentadas en la topografía de la zona.
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