El presente trabajo de investigación describe: la geometría, materiales, métodos constructivos y método de diseño estructural de Puentes Atirantados. El objetivo principal de esta investigación es comprender todos los temas señalados, ya que estos conocimientos contribuirán durante el semestre en la cátedra de Puentes.
Trabajo de Puentes Atirantados Fecha: 28/06/2014
Cátedra: Puentes
GUSTAVO YÁNEZ PÁEZ
PUENTES ATIRANTADOS
Contenido 1.
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 2
2.
GEOMETRÍA ............................................................................................................................................. 3
3.
MATERIALES ............................................................................................................................................ 7
4.
MÉTODOS CONSTRUCTIVOS .............................................................................................................. 10
5.
METODOLOGÍA DE DISEÑO ................................................................................................................. 12
6.
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................................. 14
Índice de ilustración Ilustración 1 Suspensión Central, Lateral y en tres Planos ............................................................................... 2 Ilustración 2 Tipo Arpa, Abanico, Semi-Arpa, Asimétrico.................................................................................. 2 Ilustración 3 Puente Brookyin ............................................................................................................................ 3 Ilustración 4 Puente de Lezardrieux, Francia .................................................................................................... 3 Ilustración 5 Componentes Principales ............................................................................................................. 3 Ilustración 7 Torres de Sustentación ................................................................................................................. 4 Ilustración 8 Cables Principales ........................................................................................................................ 4 Ilustración 6 Formas de las Torres .................................................................................................................... 4 Ilustración 9 Disposición de los Cables Longitudinales y Transversales .......................................................... 5 Ilustración 10 Viga Transversal ......................................................................................................................... 5 Ilustración 11 Vigas Longitudinales ................................................................................................................... 5 Ilustración 12 Diagonales y Contradiagonales .................................................................................................. 5 Ilustración 13 Formas generales de secciones transversales con placas ortotrópicas .................................... 6 Ilustración 14 Formas generales de secciones transversales tipo enrejado ..................................................... 6 Ilustración 15 Formas generales de secciones transversales de hormigón armado ........................................ 6 Ilustración 16 Tabla Histórica de los Materiales ................................................................................................ 7 Ilustración 18 Materiales para puentes atirantados ........................................................................................... 7 Ilustración 17 Hormigón proyectado en cimentación ........................................................................................ 7 Ilustración 19 Tabla de Acero Estructural.......................................................................................................... 8 Ilustración 20 Esquema del Cable ..................................................................................................................... 9 Ilustración 21 Secciones de Hormigón y Acero ............................................................................................... 10 Ilustración 22 Tablero de Acero ....................................................................................................................... 10 Ilustración 23 Tablero de Hormigón ................................................................................................................ 10 Ilustración 24 Método de Apoyos Falsos ......................................................................................................... 11 Ilustración 25 Método de Volados Sucesivos .................................................................................................. 11 Ilustración 26 Método Lanzamiento Progresivo .............................................................................................. 11 Ilustración 27 Determinación del ancho del tablero del puente atirantado ..................................................... 13 Ilustración 28 Esquema general del puente atirantado ................................................................................... 13 Ilustración 29 Esquema para el cálculo de fuerzas axiales en los cables ...................................................... 13
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PUENTES ATIRANTADOS
1. INTRODUCCIÓN En los últimos años, el uso de puentes atirantados ha ido evolucionando rápidamente en sus formas, tamaños y métodos constructivos, viendo la necesidad de estudiarlos y entenderlos más a fondo, ya que estas estructuras son altamente hiperestáticas y a su vez muy flexibles, sobre todo durante su proceso constructivo debido a las grandes luces a las que están asociados, su estudio contempla una serie de conocimientos estructurales, vinculados directamente con el análisis de efectos de segundo orden, este análisis ocurre cuando una estructura se deforma o se desplaza debido a la combinación de acciones laterales y verticales formando un desplazamiento "Delta". En el proceso de diseño, las decisiones más importantes se hacen generalmente en las primeras etapas; en donde se tiene que comprender el comportamiento físico de la estructura, siendo esto esencial en el pre-dimensionamiento; además, se puede contar con numerosas alternativas estructurales, en donde más de una solución puede ser factible; sin embargo, para su mayor eficiencia se toma en cuenta el punto de vista del consumo de material, construcción de instalaciones, tiempo de ejecución y comportamiento físico de la estructura, además como en todo diseño se debe considerar una estructura liviana para de esta manera evitar grandes efectos provocados por sismo. Es importante entender cómo sus elementos estructurales van a actuar ante cargas de peso propio, barandas, calzada, vehículos y peatones; sin dejar de lado cargas extremas muy importantes que suelen causar daños catastróficos como son sismos, vientos y cargas durante el proceso constructivo. La distribución de obenques en el tablero es una variable fundamental para controlar los esfuerzos existentes en el tablero, en su torre y en sus mismos obenques. Tipos de puentes atirantados
Puente atirantado de torre lateral.- En este tipo de puente, la torre, 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. Puente atirantado asimétrico.- Este tipo de puentes, usa una torre 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. Puente atirantado de torre contrapeso.- Es un puente similar al anterior, salvo que los cables no continúan hasta el contrapeso, sino que están anclados a la torre, y la torre y su anclaje en el terreno. Uno de los pioneros de este diseño es Santiago Calatrava con el Puente del Alamillo en Sevilla. Por su sistema de suspensión.- La distribución y el sistema de suspensión es uno de los aspectos fundamentales que se debe analizar en el diseño de un puente atirantado, ya que éste 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 en general pueden ser:
Ilustración 1 Suspensión Central, Lateral y en tres Planos
Por su forma de distribución de obenques.- Un aspecto fundamental en el diseño de puentes atirantados es la distribución geométrica de los obenques. En este caso, generalmente se consideran cuatro diferentes tipos de diseño:
Ilustración 2 Tipo Arpa, Abanico, Semi-Arpa, Asimétrico
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PUENTES ATIRANTADOS
Cabe recalcar que dentro de la ingeniería civil, se denomina puente atirantado a aquel cuyo tablero se encuentra suspendido de uno o varios pilones centrales mediante un sistema de cables (torones). Estos se distinguen de los puentes colgantes porque en los últimos, los cables principales se disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables secundarios verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente a tracción, mientras que los puentes atirantados tienen partes a tracción y otras a compresión. Existen diferentes modelos de colocación de los tirantes dentro de estos puentes ya que estos van desde el tablero al pilar situado a un lado, y desde este, al suelo, o bien, como el Puente del Alamillo, están unidos directamente al único pilar y anclados al suelo. Los pioneros en la investigación experimental sobre Puentes Atirantados son entre otros el Instituto de Hormigón Reforzado y Pretensado (Institute for Reinforced and Prestressed Concrete (IBAP)) del Instituto de Tecnología Federal Suizo. Su trabajo ha revelado las ventajas técnicas y económicas que ofrecen los puentes atirantados. Sus diseños, basados en el uso de delgados tableros los cuales consisten en un elemento simple de hormigón y un sistema de cables que además de formar parte importante de la estructura, ayudan mucho a mejorar la estética de la misma, que anteriormente fueron inimaginables de construir.
Ilustración 3 Puente Brookyin
Es muy importante e interesante conocer sobre la capacidad de combinar estructuras como cables de acero y el hormigón. A la vez cabe decir que no han sido suficientemente explotados a pesar de que el uso de estos sistemas puede desarrollar soluciones innovadoras a los problemas de hoy.
Ilustración 4 Puente de Lezardrieux, Francia
Los elementos fundamentales de la estructura resistente del puente atirantado son los tirantes, las torres (el pilón) y el tablero; los tirantes son cables rectos que atirantan el tablero, proporcionándoles una serie de apoyos intermedios más o menos rígidos. ; las torres (pilón) nos sirve para elevar el anclaje fijo de los tirantes, de forma que introduzcan fuerzas verticales en el tablero para crear los pseudo-apoyos; también el tablero interviene en el esquema resistente, porque los tirantes, al ser inclinados, introducen fuerzas horizontales que se deben equilibrar a través de él. Por todo ello, los tres elementos, tirantes, tablero y torres, constituyen la estructura resistente básica del puente atirantado.
2. GEOMETRÍA Los Puentes Atirantados tienen 3 elementos básicos que son:
Torres (Pilón o pilas). Cables (tirantes). Tablero.
Los cuales son analizados separadamente. Esta división se la realiza en función de los procesos de construcción. A pesar de ello, se debe tomar en cuenta que estos tres elementos fundamentales dependen mucho de las características que tengan al momento de trabajar en conjunto, es por eso que a continuación se muestran tres tipos de diseños generales. La ilustración 5 muestra los principales componentes de un puente atirantado consiste en un apoyada por cables conectados a una o más torres de mesa rigidez. Ilustración 5 Componentes Principales
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PUENTES ATIRANTADOS
2.1. Infraestructura 2.1.1. Torres La altura de la torre es una variable de diseño debido principalmente a la extensión principal del puente. Debe tener un gran valor que satisfaga a los métodos de construcción, el tema económico, y en especial el problema estructural. Busque este valor es parte de la pre-diseño de un puente atirantado. Las formas de las torres más usadas están indicadas a continuación: La elección de una forma particular dependerá de la naturaleza estética, económica y de las cuestiones de solicitudes. Para puentes sometidos a viento, por ejemplo, la forma "A" tiene mayor estabilidad aerodinámica. En cuanto a las condiciones de contorno de las torres, se observarán las condiciones locales del suelo y la facilidad de construcción. Torres incrustados en la base son más fáciles de construir, pero grandes tensiones de flexión transmitidos a la base.
Ilustración 6 Formas de las Torres
Las torres se construyen generalmente con el móvil y las secciones se fabrican acero estructural o de hormigón armado. El soporte físico de un puente atirantado está provisto por las torres de sustentación, que son similares a aquellas presentes en puentes colgantes.
Ilustración 7 Torres de Sustentación
2.2. Superestructura 2.2.1. Cables Cables principales.- Apoyados y anclados en diversos niveles de cada una de las torres de sustentación, y ubicados de una manera simétrica con relación al eje de la vía, se suspenden un sinnúmero de cables principales, que servirán de soporte para los elementos estructurales restantes.
Ilustración 8 Cables Principales
Estos cables principales funcionan como tensores para el resto de la estructura. Debido a que los cables principales soportarán casi la totalidad de las cargas del puente, se suele utilizar acero de alta resistencia.
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PUENTES ATIRANTADOS
La disposición habitual de los cables varía tanto en la dirección transversal y en la dirección longitudinal, como se puede ver en las figuras. Todos estos arreglos pueden tener pocos o muchos cables. El sistema multi - cable ha sido una tendencia de los proyectos más recientes, en virtud de que requiere una bandeja menos rígida y presentar fuerzas de pretensado instaladas en cables más pequeños, facilitando la construcción del puente por el método de voladizo, y facilitar también el proceso el anclaje de los cables y de mantenimiento.
Ilustración 9 Disposición de los Cables Longitudinales y Transversales
Vigas transversales.- De la parte inferior de los cables principales de ejes opuestos, se suspenden elementos transversales (vigas) que cruzan la vía a lo ancho.
Ilustración 10 Viga Transversal
Vigas longitudinales.- En la dirección longitudinal, de la parte inferior de los cables principales se suspenden y sujetan elementos longitudinales que unen todos los cables.
Ilustración 11 Vigas Longitudinales
Las vigas transversales y longitudinales conforman una malla horizontal. La malla se arriostra y rigidiza mediante diagonales y contra diagonales.
Ilustración 12 Diagonales y Contradiagonales
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PUENTES ATIRANTADOS
Estructura de Soporte Vehicular.- Apoyada en las vigas transversales se construye la estructura que soportará directamente a los vehículos que circulan por el puente. Usualmente esta estructura es una losa de hormigón, pero podría ser una estructura con planchas metálicas.
La carga viva vehicular es transmitida a su estructura de soporte; la estructura de soporte vehicular transmite la carga viva y su propio peso a las vigas transversales; las vigas transversales, a su vez, se sustentan en los cables principales; los cables principales transmiten las cargas a las torres de sustentación; y, por último, las torres de sustentación transfieren las cargas al suelo de cimentación. 2.2.2.
Tablero
Para el tablero hay una gran cantidad de tipos de secciones transversales de uso común en la práctica, y su diseño dictados por las exigencias del tráfico y la estabilidad aerodinámica. En general, las secciones transversales muestran las formas mostradas en las figuras, para abordar con placas ortotrópicos, armadura y reforzado / pretensado, hormigón, respectivamente.
Ilustración 13 Formas generales de secciones transversales con placas ortotrópicas
Ilustración 14 Formas generales de secciones transversales tipo enrejado
Ilustración 15 Formas generales de secciones transversales de hormigón armado
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PUENTES ATIRANTADOS
3. MATERIALES A lo largo de la Historia se han empleado cuatro materiales básicos para construir puentes: la madera, la piedra, el hierro y el hormigón. A estos cuatro hay que añadir otros dos que se han empleado con menor frecuencia: el ladrillo, hecho de arcilla cocida; y el aluminio, que se ha utilizado excepcionalmente para construir puentes o partes de ellos. Actualmente se están utilizando también materiales compuestos, formados por fibras de materiales muy resistentes incluidos en una matriz de resina, pero todavía estamos lejos de que estos materiales puedan competir en los puentes con los materiales actuales.
Ilustración 16 Tabla Histórica de los Materiales
HORMIGÓN A pesar de verse suave y sin brillo en la superficie, el hormigón se ha convertido en el material de construcción preferido para casi todas las estructuras del mundo y los puentes no son una excepción. La capacidad de verter el hormigón en cualquier forma o tamaño lo hace ideal para la construcción de puentes, ya que no necesita de un corte o moldeo. Para añadirle más fuerza, el hormigón es a menudo es previamente comprimido y reforzado con acero. En la superficie, el hormigón es propenso a la corrosión por el agua salada y los contaminantes en el aire como el dióxido de carbono y dióxido de azufre. Esto se remedia usando otros Ilustración 17 Hormigón proyectado en materiales para cubrir la superficie. cimentación
ACERO Aparte de ser utilizado para reforzar el hormigón, el acero es también muy utilizado como un material de construcción primario para puentes. En los cables para los puentes colgantes que se elevan suspendidos, es el principal material utilizado. Las resistencias a la compresión y a la tracción del acero son de 10 a 100 veces el promedio del hormigón, respectivamente, permitiendo que largos tramos de puentes reciban apoyo de un menor número de columnas. Además, siendo un metal, el acero tiene una ductilidad notable, o capacidad de doblarse, estirarse o deformarse sin romperse, a diferencia del hormigón. Sin embargo, la corrosión es una preocupación importante, y requiere un revestimiento de aleación para la protección de los elementos.
Ilustración 18 Materiales para puentes atirantados
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A continuación se presenta los materiales de los componentes de un puente atirantado: 3.1. LOS TIRANTES (CABLES) Los tirantes están formados por un conjunto de cables o torones, de 15.7 mm de diámetro cada uno, compuestos por siete hilos de Acero galvanizado trenzados entre sí. Para protegerlos contra la corrosión y oxidación del Acero de preesfuerzo, cada cable está cubierto por una cera a base de petróleo y envueltos por una funda de polietileno de alta densidad. Para la instalación de dichos cables se emplea el sistema de tirantes SSI 2000 de tecnología francesa, patentado por VSL.El número de cables o torones varía entre los tirantes, de acuerdo a su ubicación. Los primeros tirantes tienen 82 torones de acero y conforme avanza se van reduciendo el número de torones, hasta llegar al tirante, el cual cuenta con cables de instalación de los tirantes de acero bajo el sistema SSI 2000 de tecnología francesa,patentado por VSL.Una ventaja de utilización de este sistema es que, debido al sistema de anclaje, es posible realizar una eventual reparación o sustitución de alguno de los cables, sin afectar la estructura. También vale la pena indicar que por reglamento los torones están trabajando al 45% de su capacidad, de manera que se tiene un amplio margen de seguridad. Existen Dos sistemas de cables los cuales son: 1. Los cables de atirantamiento son los que van conectados desde las torres o el pilón hacia el tablero; estos cumplen la función principal de la estructura la cual es sostener al tablero donde serán repartidas las cargas según sea la función que este cumpla. Los cables de atirantamiento se pueden organizar de diversas formas dentro de cada uno de los haces ya sea al borde del tablero, o un solo plano situado en su eje. 2. Los cables de retención que trabajan como sistema de atirantamiento son los que han de ser colocados para evitar los movimientos en la cabeza del pilón. Estos tirantes irán anclados a puntos fijos, que pueden ir al tablero y/o a su vez, según sea el caso, irán anclados a un sistema de contrapeso (muertos) que están en el suelo para de esta manera dar una buena estabilidad a la estructura. Al momento de trabajar con los cables, es necesario definir el número de tirantes de cada haz, o lo que es lo mismo, la distancia entre los puntos de anclaje de los tirantes en el tablero. El número de tirantes es una de las cuestiones que más ha evolucionado en los puentes atirantados ya que los primeros puentes de este tipo tenían muy pocos tirantes con una separación entre anclajes que llegó a pasar de los 50m; se trataba de crear una serie de apoyos intermedios para así convertir un puente de luces grandes en uno de luces medias Generalmente los tirantes radiales o divergentes tienen un mejor funcionamiento que los paralelos, porque el atirantamiento es más eficaz y se obtiene menor deflexión en las torres. Los tirantes paralelos se usan cuando la compensación del tablero se divide en vanos pequeños, de forma que los tirantes del haz de compensación se anclan directamente sobre pilas o muy cerca de ellas. De esta forma el atirantamiento gana rigidez y las deflexiones disminuyen tanto en la torre como en el vano principal. El cable generalmente es un miembro flexible que se encuentra solicitado a tensión. En la construcción de puentes se los conoce debido a su hechura los cuales son: formados por barras paralelas, alambres paralelos, torones paralelos, y por torones enrollados helicoidalmente. Estos diferentes tipos de cables son realizados en base de alambres. El alambre normalmente se presenta en diámetros entre los 3 y 7 mm el cual está constituido de acero con un módulo de elasticidad semejante al acero con el que se construye edificios, pero este es más resistente pero menos dúctil. A continuación se muestra una tabla con las características estructurales del acero
Ilustración 19 Tabla de Acero Estructural
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3.2. CABLES Los cables tienen la característica de resistir grandes fuerzas de tensión, pero a relación de las barras prismáticas, estos no resisten fuerzas de compresión y poseen poca resistencia a la flexión, razón por la cual toman forma de curva. Los cables de acero están compuestos por elementos básicos que son: alambres, torones y alma. Dependiendo la necesidad existen cables de acabado negro o galvanizado. La realización de torones se la hace torciendo los alambres entre sí alrededor de un alambre central llevando una posición geométrica.
Ilustración 20 Esquema del Cable
3.3. LAS TORRES (PILÓN) Las torres, son la parte más importante dentro de la estructura de los puentes atirantados, ya que estos son los que van a soportar toda la carga que se ha de distribuir del tablero a los cables y estos al pilón o torres. Generalmente la altura de estas torres está en función de la luz libre que tendrá el tablero entre sus puntos de apoyo. Longitudinalmente pueden tener dos torres y ser simétricos, o una sola torre desde donde se atiranta todo el vano principal. 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. Las torres pueden tener diversas formas; pueden estar formadas por dos pilas, por una sola, pueden tener forma de A, forma de A prolongada verticalmente, entre otras formas. A continuación se presentan algunos tipos de torres dadas según su geometría 3.4. EL TABLERO El tablero es muy importante dentro del esquema resistente básico de la estructura del puente atirantado ya que va a 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 tablero tipo cajón cerrado con voladizos laterales (dovelas), 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; no obstante, tanto en uno como en el otro sistema de atirantamiento caben diferentes variantes de la sección transversal. Dependiendo de las dimensiones y del uso que se le va a dar al puente, se puede definir diversas formas de realizar el tablero, ya que este puede ser de tipo cajón realizado en hormigón, se puede trabajar con estructuras metálicas, etc. El tablero cumplirá la función de transmitir todas las cargas que vayan a este hacia a los cables y estos a su vez hacia el pilón.
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PUENTES ATIRANTADOS
Como ya se mencionó anteriormente, en los primeros Puentes Atirantados modernos para reducir el número de tirantes era necesario usar tableros relativamente rígidos y en acero. Con la aparición de los puentes de cables múltiples, se ha favorecido al desarrollo de los tableros de hormigón y ha logrado desaparecer la necesidad de proveer secciones transversales de alto grado de rigidez. Gracias a los avances que se ha tenido en el estudio de estos puentes se ha logrado diseñar tableros mucho más flexibles. Sin embargo, se debe de tomar en cuenta que la rigidez óptima del tablero no solo depende del espaciamiento de los tirantes sino también del armado y del material en que este sea construido. En el caso de puentes con sistemas de suspensión lateral es posible trabajar con tableros delgados dado que la deflexión longitudinal es relativamente baja y no existirían problemas de rigidez torsional. Las dimensiones mínimas están gobernadas por los momentos transversales y por las cargas que se producen en los puntos de anclaje. Ilustración 21 Secciones de Hormigón y Acero
3.4.1.
Tablero de acero
El uso del acero en tableros metálicos tiene muchas ventajas, una de ellas es que se puede realizar el tablero por tramos y después ser colocado en obra, ahorrando así tiempo y dinero. La desventaja es que al usar acero en la sección transversal, es de 2 a 4 veces más costoso que su equivalente en hormigón. Dentro de las estructuras de pequeños a medianos vanos, los cables representan solamente del 10 al 20% del costo total de la obra; es por eso que es recomendable que la estructura del tablero se la realice por dovelas (cajones huecos debidamente arriostrados) en el caso que se diseñe con grandes vanos longitudinales, ya que de esta manera se disminuyen los efectos de torsión en el centro del vano y se tiene un ahorro en el uso de materiales normalmente utiliza acero ASTM A588. Ilustración 22 Tablero de Acero
3.4.2.
Tableros de hormigón La idea de usar sistemas de vanos múltiples fue inicialmente desarrollada con estructuras de acero, pero gracias al uso de sistemas de prefabricados con pre-esfuerzo, ha sido posible llevar esto a estructuras de hormigón. El hecho de colocar prefabricados en cada tramo en conjunto con los cables tensores hace que las cargas en las secciones transversales sean moderadas durante la construcción y el equipo necesario para la erección de la estructura se reduzca al mínimo.
Ilustración 23 Tablero de Hormigón
4. MÉTODOS CONSTRUCTIVOS Es muy importante tomar en cuenta el tipo de proceso constructivo que se va a tener al momento de construir el puente, esto basándose en las características del terreno y en la tecnología existente. Los principales métodos constructivos de los puentes atirantados son los siguientes:
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Método de Apoyos Falsos Método de Voladizos Sucesivos Método de Lanzamientos Progresivos
PUENTES ATIRANTADOS
4.1. Método de Apoyos Falsos 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 está congestionado con rutas o vías de tren, el puente no tiene que atravesar una fuente de agua de profundidad media o grande. En los puentes atirantados, este método se convierte en un sistema complicado. La superestructura está apoyada temporalmente en torres de apuntalamiento, entre estas torres y la superestructura hay gatos hidráulicos, los cuales levantan la plataforma una vez que la misma está asegurada, posteriormente se instala los tirantes, luego se procede a quitar los apuntalamientos y de esta manera se tensan los tirantes por acción del peso propio de la plataforma. Ilustración 24 Método de Apoyos Falsos
4.2. Método de Voladizos Sucesivos El método consiste en la construcción de la obra en segmentos (dovelas), formando tramos que avanzan sobre el vano a ser vencido. Existen dos técnicas básicas para la construcción utilizando este sistema; una de ella emplea dovelas pre-fabricadas, las cuales se levantan mediante sistemas de grúas, y la otra técnica consiste en construir las dovelas “in situ”. Cuando las dovelas son armadas “in situ”, el hormigonado es realizado utilizando encofrados móviles anclados en los tramos ya construidos y cuando se alcanza la resistencia establecida las dovelas son postensadas. Las dovelas pre-fabricadas son elaboradas en la planta de fabricación y transportadas por medio de reticulados metálicos hasta la extremidad del voladizo, donde son postensadas longitudinalmente.
Ilustración 25 Método de Volados Sucesivos
Entre las dovelas se puede usar o no adhesivo epóxico, 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 de los esfuerzos cortantes.
4.3. Método de Lanzamientos Progresivos En este método, la superestructura es fabricada en las márgenes de la obra (planta de prefabricación) 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 (estribo) al otro extremo de la margen opuesta de la obra. 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,
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Ilustración 26 Método Lanzamiento Progresivo
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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, 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.
5. METODOLOGÍA DE DISEÑO Puede diseñarse desde dos enfoques, debido a la libertad con que se cuenta para elegir la distribución de rigidez entre los cables y el tablero para soportar la carga viva. En el primer enfoque, se usa una distribución de rigideces apropiada entre el tablero, los cables y la subestructura, de modo tal que la variación de tensión en los cables debido a la carga viva, no sobrepase los límites establecidos por las especificaciones en Estado Límite de Servicio (ELS)y estos puedan ser tesados al máximo. En general, un tablero rígido acompañado de vinculación fija entre la torre, el tablero y los pilares, tal y como se usó en los primeros puentes extradosados. Para describir la metodología de diseño se ha considerado un ejemplo práctico de aplicación de puentes atirantados en la vía de acceso al nuevo aeropuerto de Quito. Se modela un puente atirantado en abanico con sus torres y tablero de hormigón armado y formado por un vano central y dos adyacentes. El tramo central se considera de 145 metros, estando otras dimensiones importantes dadas por las siguientes relaciones: 5.1. Longitud del panel tipo o distancia entre apoyos de cables. Se recomienda, de acuerdo a dimensiones de estructuras ya existentes con vanos entre 137 y 150 metros, usar paneles con una longitud de 20 metros. El panel central puede ser más largo pues no resiste fuerzas de compresión como los otros. En este caso y nuevamente por experiencia se pueden usar paneles entre un 20 y 30% más largos. 5.2. Altura de las torres La altura de las torres se determina por la inclinación óptima de los cables que se considera está entre los 25 y 65 grados, siendo su mejor valor 45°. En este caso:
Este valor es aproximadamente igual a un quinto de la luz del vano central. No coincide con otras recomendaciones para la altura de la torre que en función de la longitud del vano central varía entre un sexto y un octavo. 5.3. Longitud de los vanos adyacentes Depende de las características geométricas del sitio de implantación del puente pero debe ser la suficiente para albergar el mismo número de cables que inciden en la torre desde el vano central y con igual espaciamiento. Si su longitud fuera menor el estribo tenderá a levantarse y si fuera mayor los cables que unen los puntos más extremos no trabajan a toda su capacidad. La referencia indica que para conseguir la simetría de los cables en las torres, y específicamente para este caso en que hay 3 cables a cada lado, se puede usar una relación entre la luz lateral y la luz principal de 3/7. 5.4. Características del tablero De acuerdo a referencia la altura del tablero varía entre 1/15 y 1/18 de la longitud del tablero o entre 1/100 y 1/200 de la longitud del vano central. Para el caso presente esto da valores entre 1.33 y 1.41 metros si se usa la longitud del tablero igual a 20 metros y entre 1.45 y 0.725 metros si se usa la del vano central igual a 145 metros. Aquí se escoge el mayor valor común a los dos criterios que es 1.33 metros. Sin embargo, de acuerdo a referencia la altura de la viga del tablero varía entre 1/60 y 1/80 de la luz del vano central, es decir, en este caso, entre 2.4 y 1.8 metros. En todo caso esta misma referencia indica que las deflexiones por carga viva están entre 1/400 y 1/500 de la luz del vano central.
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Para el ancho del tablero se usarán las siguientes dimensiones:
Ilustración 27 Determinación del ancho del tablero del puente atirantado
La sección del tablero será la de una viga cajón con 20 cm de espesor de paredes. Vale la pena recalcar que estos valores iniciales serán ajustados buscando un óptimo en la utilización del material, es decir las menores dimensiones. En la figura, a continuación, se muestra el puente atirantado hasta aquí planteado con sus dimensiones generales:
Ilustración 28 Esquema general del puente atirantado
5.5. Dimensiones de los cables El tablero actúa como una viga continua sobre apoyos rígidos si las fuerzas en los cables reducen las deformaciones de la viga en los apoyos a cero. Las reacciones en estos apoyos igualan las componentes verticales de los cables de acuerdo al esquema mostrado en la figura
Ilustración 29 Esquema para el cálculo de fuerzas axiales en los cables
Fórmulas para el cálculo:
Los cables se diseñan para cargas de servicio, calculándose el área de la sección transversal Ai necesaria para el cable i como. En donde σa es el esfuerzo unitario admisible para el acero del cable. Se calcula como: Donde σtu es la resistencia a la tensión mínima especificada del acero. Para torones de pretensado de 7 alambres, de 15.2 mm de diámetro (ASTM A416), σtu es igual a 19023 Kg/cm2, y para alambre de 6.35 mm de diámetro (ASTM A421), es 16909 Kg/cm2.
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PUENTES ATIRANTADOS
En este modelo si se usan torones de pretensado de 7 alambres, el esfuerzo unitario admisible es 8560 Kg/cm2. Las reacciones Ri para cables intermedios pueden calcularse como: Donde w es la carga uniforme muerta y viva sobre el tablero y s es el espaciamiento entre cables. Para el cálculo de la Fuerza F 1 que actúa en el cable extremo conectado al estribo, se requiere calcular inicialmente la fuerza horizontal Fh sobre la torre. Las reacciones Ri son debidas a carga muerta y viva en apoyos en el vano central en tanto que las recciones R’i lo son por carga muerta únicamente y en apoyos en el vano lateral. Los ángulos αi y α’i son los que forman los cables con el tablero en el vano central y lateral respectivamente. Se observa que la máxima carga horizontal sobre la torre se da cuando adicionalmente a la carga muerta hay carga viva en el tramo central. Si los cables en el vano lateral son idénticos a los del vano central se tiene: Donde L es la carga viva en un tablero.
5.6. Dimensiones de la torre La sección transversal Ag se prediseña para resistir una carga de compresión P0 dada por las cargas incidentes sobre la mitad de todo el largo del puente
Donde f’c es el esfuerzo de rotura del hormigón a los 28 días utilizándose aquí un valor de 350 Kg/cm2 y fy es el esfuerzo de fluencia de las varillas de refuerzo en este caso igual a 4200 Kg/cm2.
6. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Artículos: publiespe.espe.edu.ec/academicas/memoria/.../puentes/atirantados CEINCI-ESPE Ing Pablo Caiza 2006 Retos en Puentes 2006, IngMsc. Pablo Caiza Libros:
Puentes soportados por cables un futuro ilusionante Cable Stayed Bridges, Theory and Design, M.STroitsky, DSc 1997 Puentes atirantados orígenes, juventud, madurez y diseños recientes PUENTES ATIRANTADOS EN MADRID
Códigos: AASHTO (LRFD) ASTM American Society of Civil Engineers (ASCE)
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