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INFORME DE UN PUENTE AL RESPONDER UN MEMORANDUM QUE SOLICITAN
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“AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMÁTICO”
Lima, 10 de octubre del 2014
INFORME TÉCNICO
Señor : Dr. Jefe del Área
Asunto : PuentesReferencia : MEMORANDO
Me dirijo a Ud. para informarle lo siguiente:
1. INTRODUCCIÓN
Un puente es una construcción que permite salvar un accidente geográfico como un río,
un cañón, un valle, unacarretera, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua o cualquier
otro obstáculo físico. El diseño de cada puente varía dependiendo de su función y de la
naturaleza del terreno sobre el que se construye.
Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, siendo numerosos los tipos de
diseños que se han aplicado a lo largo de la historia, influidos por los materiales disponibles,
las técnicas desarrolladas y las consideraciones económicas, entre otros factores. Al momento
de analizar el diseño de un puente, la calidad del suelo o roca donde habrá de apoyarse y el
régimen del río por encima del que cruza son de suma importancia para garantizar la vida del
mismo.
2. ANTECEDENTES
La necesidad humana de cruzar pequeños arroyos y ríos fue el comienzo de la historia de los puentes. Hasta el día de hoy, la técnica ha pasado desde una simple losa hasta grandes puentes colgantes que miden varios kilómetros y que cruzan bahías. Los puentes se han convertido a lo largo de la historia no solo en un elemento muy básico para una sociedad, sino en símbolo de su capacidad tecnológica.
De la prehistoria a los grandes constructores romanos
INFORME TÉCNICO N°1-2014/FIC/UNIPág. N° 2
Los puentes tienen su origen en la misma prehistoria. Posiblemente el primer puente de la historia fue un árbol que usó un hombre prehistórico para conectar las dos orillas de un río. También utilizaron losas de piedra para arroyos pequeños cuando no había árboles cerca. Los siguientes puentes fueron arcos hechos con troncos o tablones y ocasionalmente con piedras, empleando un soporte simple y colocando vigas transversales. La mayoría de estos primeros puentes eran muy pobremente construidos y raramente soportaban cargas pesadas. Fue esta insuficiencia la que llevó al desarrollo de mejores puentes.
Puente de arcos
El arco fue usado por primera vez por el romano para puentes y acueductos, algunos de los cuales todavía se mantienen en pie. Los puentes basados en arcos podían soportar condiciones que antes habrían destruido a cualquier puente.
Un ejemplo de esto es el Puente de Alcántara, construido sobre el Río Tajo, cerca de Portugal. La mayoría de los puentes anteriores habrían sido barridos por la fuerte corriente. Los romanos también usaban cemento, que reducía la variación de la fuerza que tenía la piedra natural. Un tipo de cemento, llamado pozzolana, consistía en agua, lima, arena y roca volcánica. Los puentes de ladrillo y mortero fueron construidos después de la era romana, ya que la tecnología del cemento se perdió y más tarde fue redescubierta.
Puente de cuerdas
Los puentes de cuerdas, un tipo sencillo de puentes suspendidos, fueron usados por la civilización Inca en los Andes de Sudamérica, justo antes de la colonización europea en el siglo XVI.
El puente en la Edad Media
Después de esto, la construcción de puentes no sufrió cambios sustanciales durante mucho tiempo. La piedra y la madera se utilizaban prácticamente de la misma manera durante la época napoleónica que durante el reinado de Julio César, incluso mucho tiempo antes. La construcción de los puentes fue evolucionando conforme la necesidad que de ellos se sentía. Cuando Roma empezó a conquistar la mayor parte del mundo conocido, iban levantando puentes de madera más o menos permanentes; cuando construyeron calzadas pavimentadas, alzaron puentes de piedra labrada.
A la caída del Imperio romano, el arte sufrió un gran retroceso durante más de seis siglos. El hombre medieval veía en los ríos una defensa natural contra las invasiones, por lo que no consideraba necesario la construcción de los medios para salvarlos. El puente era un punto débil en el sistema defensivo feudal. Por lo tanto muchos de los que estaban construidos fueron desmantelados, y los pocos que quedaron estaban protegidos con fortificaciones.
La Edad Moderna en los puentes
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Durante el siglo XVIII hubo muchas innovaciones en el diseño de puentes con vigas por parte de Hans Ulrich, Johannes Grubenmann y otros. El primer libro de ingeniería para la construcción de puentes fue escrito por Hubert Gautier en 1716.
Celosía estructural de formas orgánicas del puente de Abetxuko
enVitoria, España.
La revolución del acero y el hormigón
Con la Revolución industrial en el siglo XIX, los sistemas de celosía de hierro forjado fueron desarrollados para puentes más grandes, pero el hierro no tenía la fuerza elástica para soportar grandes cargas. Con la llegada del acero, que tiene un alto límite elástico, fueron construidos puentes mucho más largos, muchos utilizando las ideas de Gustave Eiffel.
3. ANÁLISIS
Un puente es una construcción que permite salvar un accidente geográfico como
un río, un cañón, un valle, una carretera, un camino, una vía férrea, un cuerpo de
agua o cualquier otro obstáculo físico. El diseño de cada puente varía
dependiendo de su función y la naturaleza del terreno sobre el que se construye.
Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, siendo numerosos
los tipos de diseños que se han aplicado a lo largo de la historia, influidos por los
materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones
económicas, entre otros factores. Al momento de analizar el diseño de un puente,
la calidad del suelo o roca donde habrá de apoyarse y el régimen del río por
encima del que cruza son de suma importancia para garantizar la vida del mismo.
3.1 CARACTERISTICAS DE UN PUENTE
Sistema de Superestructura. Comprende todos los elementos del puente que están por encima de los apoyos.
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1.- Losa de Calzada. Son de concreto armado, pueden ser también de planchas de acero o de entablado de madera.
2.- Miembros Principales. Distribuyen longitudinalmente las cargas rodantes a los apoyos a través de la losa de calzada, pueden ser de vigas de acero, de concreto normal o pre/postensadas, cerchas, etc.
3.- Miembros Secundarios. Son los separadores o arrostramientos de los miembros principales, evitan las deformaciones transversales y contribuyen en la distribución de las cargas a los miembros principales,.
4.- Carpeta de rodamiento. Pueden ser de asfalto o de concreto. 5.- Iluminación y Señalamiento, Defensas y Sistema de Drenaje.
Sistema de Infraestructura. Elementos del puente requeridos para apoyar la superestructura y trasmitir sus cargas al suelo.
1.- Estribos. Apoyos extremos del puente. Son los elementos que soportan verticalmente las reacciones de la superestructura y horizontalmente el empuje de tierra proveniente del terraplén de acceso.
2.- Pilas. Son las estructuras que sirven de apoyos intermedios del puente cuando este es continuo o tiene varias luces.
3.- Aparatos de Apoyo. Sistemas mecánicos que trasmiten las cargas de la superestructura a la infraestructura. Pueden ser fijos o móviles según su función.
4.- Muros Laterales. Tienen la función de proteger los terraplenes en los accesos.
5.- Losas de Acceso. Sirven de transición entre el puente y el terraplén de la vía y tienen la función de suavizar los posibles asentamientos diferenciales originados en el relleno del acceso.
3.2 PARTES DE UN PUENTE
En su aspecto técnico, la ingeniería de un puente tradicional diferencia, además
de los cimientos, dos partes esenciales: la superestructura y la infraestructura, y
en ellas, pueden desglosarse los siguientes componentes básicos:
Tramo: Parte del puente que sostienen bastiones y/o pilastras.
Bastión: En la subestructura, apoyo para un tramo.
Ménsula: Recurso arquitectónico tradicional para descargar el sobrepeso de
bastiones y pilas.
Relleno o ripio: Retenido por los estribos, sustituye los materiales (tierra,
rocas, arena) removidos, y refuerza la resistencia de bastiones, pilastras.
Asiento: Parte del bastión en el que descansa un tramo, y en el caso de las
pilas los extremos de dos tramos diferentes.
Losa de acceso: Superficie de rodamiento que se apoya en la ménsula.
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Luz (entre bastiones): Distancia media entre las paredes internas de bastiones
y/o pilas.
Contra venteo: Sistema para dar rigidez a la estructura.
Tablero: Base superior de rodaje que sirve además para repartir la carga a
vigas y largueros, en casos especiales, el tablero puede estar estructurado
para sostener una vía férrea, un canal de navegación, un canal de riego, en
estos dos últimos caso se les llama "puente canal"; o una tubería, en cuyo
caso se llama puente tubo.
Viga trasversal.- armadura de conexión entre las vigas principales (un
ejemplo de conjunto son las vigas de celosía)
Apoyos fijos y de expansión: Placas y ensamblajes diseñados para recibir,
repartir y transmitir reacciones de la estructura (ejemplos de este tipo de apoyo
son los rodines y balancines).
Arriostrados laterales o vientos: Unen las armaduras y les dan rigidez.
Otras secciones: goznes, juntas de expansión, marcos rígidos, placas de
unión, vigas de diversas categorías y superficie de rodamiento.
En cuanto a la estructura arquitectónica, en un puente distinguimos:
Andén.
Arcada (arcos).
Encachado .2
Cabeza de puente .
Estribos y manguardias.
Ojo.
Pila, pilar, pilote, zampa.
Pretil , acitara, antepecho, barandilla.
Tajamar (ver 20 en visualización).
Zapata .
3.2 TIPOS DE PUENTES
PUENTES VIGA
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Un puente viga es un puente cuyos vanos son soportados por vigas. Este tipo de puentes deriva directamente del puente tronco. Se construyen con madera, acero u hormigón (armado, pretensado). Se emplean vigas en forma de L, en forma de caja hueca, etcétera. Como su antecesor, este puente es estructuralmente el más simple de todos los puentes. Se emplean en vanos cortos e intermedios (con hormigón pretensado). Un uso muy típico es en las pasarelas peatonales sobre autovías.
PUENTE EN MÉNSULA
Un puente en ménsulaes un puente en el cual una o más vigas principales trabajan como ménsula o voladizo.
Normalmente, las grandes estructuras se
construyen por la técnica de volados sucesivos,
mediante ménsulas consecutivas que se proyectan en el espacio a partir de la ménsula previa. Los pequeños puentes peatonales pueden construirse con vigas simples, pero los puentes de mayor importancia se construyen con
grandes estructuras reticuladas de acero o vigas tipo cajón de hormigón potenzado, o mediante estructuras colgadas.
PUENTES EN ARCO
Un puente de arco es un puente con apoyos a los extremos de la luz, entre los
cuales se hace una estructura con forma de arco con la que se transmiten las
cargas. El tablero puede estar apoyado o colgado de esta estructura principal,
dando origen a distintos tipos de puentes ya que da lo mismo.
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Los puentes en arco trabajan
transfiriendo el peso propio del
puente y las sobrecargas de uso
hacia los apoyos mediante
la compresión del arco, donde se
transforma en un empuje
horizontal y una carga vertical.
Normalmente la esbeltez del arco
(relación entre la flecha máxima y
la luz) es alta, haciendo que los
esfuerzos horizontales sean
mucho mayores que los verticales. Por este motivo son adecuados en sitios
capaces de proporcionar una buena resistencia al empuje horizontal.
PUENTES COLGANTES
Un puente colgante es un puente sostenido por un arco invertido formado por
numerosos cables de acero, del que se suspende el tablero del puente mediante
tirantes verticales. Desde la antigüedad este tipo de puentes han sido utilizados
por la humanidad para salvar obstáculos. Con el paso de los siglos y la
introducción y mejora de distintos materiales de construcción, este tipo de puentes
son capaces en la actualidad de soportar el tráfico rodado e incluso líneas de
ferrocarril ligeras.
PUENTES ATIRANTADOS
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En términos de ingeniería civil, se denomina puente atirantado a aquel cuyo
tablero está suspendido de uno o varios pilones centrales mediante obenques. Se
distingue de los puentes colgantes porque en éstos 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, y los
atirantados tienen partes que trabajan a tracción y otras a compresión. También
hay variantes de estos puentes en que los tirantes van desde el tablero al pilar
situado a un lado, y de ahí al suelo, o bien están unidos a un único pilar.
PUENTES MOVILES
Un puente móvil es un puente que tiene la característica de moverse para permitir,
normalmente, el paso de tráfico marítimo. El puente móvil puede construirse en
una parte más baja, evitando así el alto costo de muelles y largos enfoques,
reduciendo así el costo total del puente. La principal desventaja es que el tráfico
en el puente debe detenerse cuando el puente comienza a moverse. Algunos
pequeños puentes móviles pueden ser habilitados sin la necesidad de un motor.
Algunos puentes son operados por los usuarios, especialmente aquellos con un
barco, otros por un encargado del puente o a veces de forma remota, utilizando
cámaras de vídeo y altavoces. En general, los puentes son impulsados por
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motores eléctricos, ya sea de funcionamiento
con tornos, engranajes, pistones o hidráulicos.
3.3 FALLAS DE UN PUENTE
En una estadística realizada en 1976, sobre las causas de fallo o rotura de 143
puentes en todo el mundo, resultó:
1 fallo debido a corrosión.
4 a la fatiga de los materiales.
4 al viento.
5 a un diseño estructural inadecuado.
11 a terremotos.
12 a un procedimiento inadecuado de construcción.
14 fallos fueron por sobrecarga o impacto de embarcaciones.
22 por materiales defectuosos.
70 fallos fueron causados por crecidas (de los cuales 66 fueron debidos a la
socavación, 46% del total).
Esto muestra que los aspectos hidráulicos son fundamentales en los puentes; un
buen conocimiento de estos aspectos hará el puente más seguro y barato.
Por su uso
Gráfico que muestra el tipo de puente en función de la luz a salvar.
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El Puente de Carlos en Praga, un claro ejemplo de puente para peatones y ciclistas.
Un puente es diseñado para ferrocarriles, tráfico automovilístico o peatonal, tuberías de gas o aguapara su transporte o tráfico marítimo. En algunos casos puede haber restricciones en su uso. Por ejemplo, puede ser un puente en una autopista y estar prohibido para peatones y bicicletas, o un puente peatonal, posiblemente también para bicicletas.
Las partes inferiores de los puentes alrededor de todo el mundo son puntos frecuentes de grafiti.
Un acueducto es un puente que transporta agua, asemejando a un viaducto, que es un puente que conecta puntos de altura semejante.
Puentes decorativos y ceremoniales
Para crear una imagen bella, algunos puentes son construidos mucho más altos de lo necesario. Este tipo, frecuentemente encontrado en jardines con estilo asiático oriental, es llamado "Puente Luna", evocando a la luna llena en ascenso.
Otros puentes de jardín pueden cruzar solo un arroyo seco de guijarros lavados, intentando únicamente transmitir la sensación de un verdadero arroyo.
Comúnmente en palacios un puente será construido sobre una corriente artificial de agua simbólicamente como un paso a un lugar o estado mental importante. Un conjunto de cinco puentes cruzan un sinuoso arroyo en un importante jardín de la Ciudad Prohibida en Pekín,China. El puente central fue reservado exclusivamente para el uso del Emperador, la Emperatriz y sus sirvientes.
Taxonomía estructural y evolucionaria
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Puente Ing. Antonio Dovalí Jaimeen la región de Minatitlán, Veracruzen México.
Los puentes pueden ser clasificados por la forma en que las cuatro fuerzas de tensión, compresión, flexión ytensión cortante o cizalladura están distribuidas en toda su estructura. La mayor parte de los puentes emplea todas las fuerzas principales en cierto grado, pero solo unas pocas predominan. La separación de fuerzas puede estar bastante clara. En un puente suspendido, los elementos en tensión son distintos en forma y disposición. En otros casos las fuerzas pueden estar distribuidas entre un gran número de miembros, tal como en uno apuntalado, o no muy perceptibles a simple vista como en una caja de vigas. Los puentes también pueden ser clasificados por su linaje.
Eficiencia
Puente "Octavio Frías de Oliveira" en São Paulo, Brasil. Es el único puente
atirantado en el mundo con dos pistas curvas sostenidas por una única estructura.3
La eficiencia estructural de un puente puede ser considerada como el radio de carga soportada por el peso del puente, dado un determinado conjunto de materiales. En un desafío común, algunos estudiantes son divididos en grupos y reciben cierta cantidad de palos de madera, una distancia para construir y pegamento, y después les piden que construyan un puente que será puesto a prueba hasta destruirlo, agregando progresivamente carga en su centro. El puente que resista la mayor carga es el más eficiente. Una medición más formal de este ejercicio es pesar el puente completado en lugar de medir una cantidad arreglada de materiales proporcionados y determinar el múltiplo de este peso que el puente puede soportar, una prueba que enfatiza la economía de los materiales y la eficiencia de las ensambladuras con pegamento.
La eficiencia económica de un puente depende del sitio y tráfico, el radio de ahorros por tener el puente (en lugar de, por ejemplo, un transbordador, o una ruta más larga) comparado con su costo. El costo de su vida está compuesto de materiales, mano de obra, maquinaria, ingeniería, costo del dinero, seguro, mantenimiento, renovación y, finalmente, demolición y eliminación de sus asociados, reciclado y reemplazamiento, menos el valor de chatarra y reutilización de sus componentes. Los puentes que emplean solo compresión, son relativamente ineficientes estructuralmente, pero pueden ser altamente eficientes
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económicamente donde los materiales necesarios están disponibles cerca del sitio y el costo de la mano de obra es bajo. Para puentes de tamaño medio, los apuntalados o de vigas suelen ser los más económicos, mientras que en algunos casos, la apariencia del puente puede ser más importante que su eficiencia de costo. Los puentes más grandes generalmente deben construirse suspendidos.
3.4 MATERIALES
Se usan diversos materiales en la construcción de puentes. En la antigüedad, se utilizaba principalmente madera y posteriormente roca. Más recientemente se han construido los puentes metálicos, material que les da mucha mayor fuerza. Los principales materiales que se emplean para la edificación de los puentes son:
Piedra.
Madera.
Acero.
Hormigón armado (concreto).
Hormigón pretensado.
Hormigón postensado.
Mixtos.
4. MATERIALES
Se usan diversos materiales en la construcción de puentes. En la antigüedad, se utilizaba principalmente madera y posteriormente roca. Más recientemente se han construido los puentes metálicos, material que les da mucha mayor fuerza. Los principales materiales que se emplean para la edificación de los puentes son:
Piedra
Madera
Acero
Hormigón armado (concreto)
Hormigón pretensado
Hormigón postensado
5. CONCLUSIONES
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Como se ha podido apreciar, los puentes son estructuras que pueden cambiar la
vida delos seres humanos, pues significan más que el acceso a un
territorio inicialmente dividido por características geográficas, sino que
representan una serie de oportunidades para las sociedades
involucradas, ya sea en el ámbito social, cultural y económico.
La construcción del puente y la elección de sus materiales estará dado
fundamentalmente por un análisis del territorio donde se pretenda
construir (sea Sierra o Costa) junto con sus factores ambientales.
La construcción de puentes en una inversión rentable y de gran
beneficio para las comunidades involucradas, ya sea por parte del plan de
gobierno brindando inclusión a pueblos o en el ámbito de empresas
particulares acortando caminos para agilizar su recorrido de producción.
El diseño y la construcción de puentes colgantes es una alternativa válida para puentes de gran longitud.
6. RECOMENDACIONES
Es necesario que un ingeniero civil deba conocer proyectos y nuevos
materiales de construcción, de reparación, puesto que cada diseño de
puentes es diferente, y así poder innovar nuevos procesos constructivos
y la implementación de nuevos materiales y equipos que hagan más
eficiente los trabajos de ingeniería.
Realizar un estudio de ingeniería de materiales en el lugar donde se
piensa construir con el objetivo de verificar las propiedades física y
químicas del suelo para asegurar que se pueda construir en ese lugar.
El estudio de impacto ambiental no está al alcance del trabajo, sin
embargo se recomienda realizar dicho estudio.
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Analizar el área geográfica para determinar las variables ambientales,
que actúan como agentes de la corrosión sobre las estructuras de un
puente.
En cuanto informo a Ud. para su conocimiento y demás fines.
Atentamente,
---------------------------------------------Doc. de la Facultad de Ingeniería Civil
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