ALUMNO: MLLER WITTING, Elmer Franz

CODIGO: 2010009537

PROFESOR: CASAS VILLALOBOS, Manuel Marino

CURSO: HIDROLOGA

TEMA: PUENTES COLGANTES

FECHA: 25 DE JUNIO DE 2013UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREALFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

Puentes ColgantesUn 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 ANTECEDENTES:

El diseo actual de los puentes colgantes fue desarrollado a principios del siglo XIX. Los primeros ejemplos incluyen los puentes de Menai y Cowny (puestos en funcionamiento en 1826) en el Norte del Pas de Gales y el primer puente Hammersmith (1827) en la zona Oeste de Londres. Desde entonces puentes colgantes han sido construidos a lo largo de todo el mundo. Esta tipologa de puente es prcticamente la nica solucin posible para salvar grandes luces (superiores a un kilmetro).

Ventajas:

El vano central puede ser muy largo en relacin a la cantidad de material empleado, permitiendo comunicar caones o vas de agua muy anchos. Pueden tener la plataforma a gran altura permitiendo el paso de barcos muy altos. No se necesitan apoyos centrales durante su construccin, permitiendo construir sobre profundos caones o cursos de agua muy ocupados por el trfico martimo o de aguas muy turbulentas. Siendo relativamente flexible, puede flexionar bajo vientos severos y terremotos, donde un puente ms rgido tendra que ser ms fuerte y duro.

Inconvenientes:

Al faltar rigidez el puente se puede volver intransitable en condiciones de fuertes vientos o turbulencias, y requerira cerrarlo temporalmente al trfico. Esta falta de rigidez dificulta mucho el mantenimiento de vas ferroviarias. Bajo grandes cargas de viento, las torres ejercen un gran momento (fuerza en sentido curvo) en el suelo, y requieren una gran cimentacin cuando se trabaja en suelos dbiles, lo que resulta muy caro.

PRINCIPIOS BSICOS DE LOS PUENTES COLGANTES Este tipo de puentes evita las dificultades potenciales de trabajar en el agua. Cuando las fundaciones tienen que ser excavadas debajo del nivel de agua que un ambiente activo relativamente seco puede proporcionarse usando los cajones de municiones. stos son el acero gigantesco y los cilindros concretos bajados adelante a la cama del ro y progresivamente hundidos como la piedra se excava bajo ellos. El agua se deja fuera aumentando la presin atmosfrica dentro del cajn de municiones. En principio, la utilizacin de cables como los elementos estructurales ms importantes de un puente tiene por objetivo el aprovechar la gran capacidad resistente del acero cuando est sometido a traccin.Si la geometra ms sencilla de puente colgante, para simplificar las explicaciones y crear un paralelismo con la secuencia de los procesos constructivos, el soporte fsico de un puente colgante est provisto por dos torres de sustentacin, separadas entre s.

Las torres de sustentacin son las responsables de transmitir las cargas al suelo de cimentacin.

Las torres de sustentacin pueden tener una gran diversidad de geometras y materiales de construccin (la cimentacin de las torres de sustentacin generalmente es construida en hormign armado por su permanente contacto con el agua y la tierra, aunque la superestructura puede ser de acero, hormign armado e inclusive de madera), pero generalmente presentan como caracterstica tpica una rigidez importante en la direccin transversal del puente y muy poca rigidez en la direccin longitudinal. Este se constituir en un factor importante para la estructuracin de todo el puente colgante.

Apoyados y anclados en la parte alta de las torres de sustentacin, y ubicados de una manera simtrica con relacin al eje de la va, se suspenden los cables principales de la estructura (generalmente un cable a cada lado de la torre).

Debido a que los cables principales van a soportar casi la totalidad de las cargas que actan sobre el puente, se suele utilizar acero de alta resistencia (esfuerzos de rotura superiores a los 15000 Kg/cm2). Este hecho implica que se debe tener mucho cuidado con los eventuales procesos de soldadura que podran disminuir la resistencia de dichos cables.

Los cables que constituyen el arco invertido de los puentes colgantes deben estar anclados en cada extremo del puente ya que son los encargados de transmitir una parte importante de la carga que tiene que soportar la estructura. El tablero suele estar suspendido mediante tirantes verticales que conectan con dichos cables.

Adicionalmente, con el objeto de que los cables tengan la flexibilidad apropiada para trabajar exclusivamente a traccin, los cables de gran dimetro estn constituidos por un sinnmero de cables de dimetro menor.

De los cables principales se sujetan y se suspenden tensores, equidistantes en la direccin longitudinal del puente, que generalmente son cables de menor dimetro o varillas de hierro enroscadas en sus extremos.

La separacin entre tensores es usualmente pequea, acostumbndose valores comprendidos entre 3 y 8 metros.De la parte inferior de los tensores sostenidos en cables principales de eje opuesto, se suspenden elementos transversales (vigas prefabricadas de acero, de hormign e inclusive de madera para puentes secundarios) que cruzan la va a lo ancho.

De igual forma, en la direccin longitudinal del puente, de la parte inferior de los tensores se suspenden y sujetan elementos longitudinales (vigas prefabricadas) que unen todos los tensores.

Las vigas longitudinales conforman una estructura similar a una viga continua sobre apoyos elsticos. Cada tensor constituye un apoyo elstico. Este esquema de funcionamiento estructural permite que las dimensiones transversales de las vigas longitudinales (y de las vigas transversales) dependan de la distancia entre tensores y no dependan de la distancia entre torres de sustentacin.

Las vigas transversales y longitudinales conforman una malla de elementos estructurales sobre un plano horizontal.

La malla de vigas longitudinales y transversales se puede arriostrar y rigidizar mediante diagonales y contradiagonales.

La colocacin de las diagonales y contradiagonales persigue la formacin de un diafragma horizontal de gran resistencia a la flexin en la direccin horizontal (similar a una losa en un edificio). Apoyada en las vigas transversales se construye la estructura que soportar directamente a los vehculos que circulan por el puente. Usualmente esta estructura es una losa de hormign, pero podra ser una estructura con planchas metlicas. Debido a la gran rigidez de la losa sobre el plano horizontal, en caso de su uso podra prescindirse del uso de diagonales y contradiagonales. En el caso de una superestructura metlica para la circulacin vehicular, las diagonales y contradiagonales (o algn otro mecanismo de rigidizacin) sern necesarias.

En principio, 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 con sus cargas, a su vez, se sustentan en los tensores; los tensores, y las cargas que sobre ellos actan, estn soportados por los cables principales; los cables principales transmiten las cargas a las torres de sustentacin; y, por ltimo, las torres de sustentacin transfieren las cargas al suelo de cimentacin. Claramente se puede establecer una cadena en el funcionamiento de los puentes colgantes; la falla de cualquiera de los eslabones mencionados significa la falla del puente en su conjunto

Si bien la explicacin del funcionamiento del modelo presentado es ideal desde un punto de vista didctico, pues se analizan uno a uno los distintos elementos estructurales y su influencia sobre otros tipos de elementos, la geometra presentada hasta el momento no es la ms apropiada para un puente colgante, pues la tensin en el extremo de los cables principales se convierte en una accin que no puede ser soportada directamente por las torres de sustentacin .

La componente vertical de la tensin del cable es fcilmente resistida por las torres de sustentacin, pero la componente horizontal producira volcamiento. Para superar este limitante se deben crear mecanismos que permitan a la torre compensar esa fuerza horizontal.

Una primera alternativa, vlida exclusivamente para puentes de pequeas luces (hasta 40 m.) consiste en crear torres de sostenimiento tipo prtico en la direccin longitudinal, lo que facilita la estabilizacin de la carga proveniente de los cables principales

En puentes de grandes luces, la primera fase de la solucin del problema consiste en extender el puente y los cables principales hacia el otro lado de la torre, para equilibrar total o parcialmente las cargas permanentes.

En caso de no disponerse de una longitud apropiada hacia los extremos del puente (muchas veces en zonas montaosas el acceso a los puentes es muy restringido), se pueden construir contrapesos como parte de los volados.

La carga muerta no equilibrada y la carga vehicular que circula por el tramo central son resistidas por anclajes gravitacionales de los cables, en sus extremos. La carga vehicular actuante en los tramos extremos del puente puede ser resistida por estribos. Generalmente los estribos son convertidos en anclajes para los cables.

Con el objeto de reducir los costos de los macizos de anclaje, los estribos son construidos en hormign armado, conformndose celdas selladas llenas de lastre (piedra y tierra) dentro de los estribos.Esta estructuracin de los puentes colgantes permite resistir eficientemente las cargas gravitacionales, pero existen otras alternativas de estructuracin, como puentes colgantes continuos, puentes con un solo eje central de cables, puentes con ms de un cable en los extremos de la va, etc.Las fuerzas principales en un puente colgante son de tensin en los cables principales y de compresin en los pilares. Todas las fuerzas en los pilares deben ser casi verticales y hacia abajo, y son estabilizadas por los cables principales, estos pueden ser muy delgados

Asumiendo como cero el peso del cable principal comparado con el peso de la pista y de los vehculos que estn siendo soportados, unos cables de un puente colgante formarn una parbola (muy similar a una catenaria, la forma de los cables principales sin cargar antes de que sea instalada la pista). Esto puede ser visto por un gradiente constante que crece con el crecimiento lineal de la distancia, este incremento en el gradiente a cada conexin con la pista crea un aumento neto de la fuerza. Combinado con las relativamente simples constituidas puestas sobre la pista actual, esto hace que los puentes colgantes sean ms simples de disear, calcular y analizar que los puentes atirantados, donde la pista est en compresin.

PESO PROPIO DE LOS CABLES CON DEFLEXIN SIMTRICA

Debido a su peso propio (carga vertical uniformemente distribuida en toda la longitud del arco), los cables describen una curva conocida como Catenaria.

En el caso ms comn, en que no existe desnivel entre los dos extremos, la fuerza de tensin en el extremo del cable (y la tensin a lo largo del cable tambin) depende de la longitud entre extremos, del peso por unidad de longitud, y de la flecha en el centro de la luz.

En este caso:

Donde:T: tensin en el extremo del cableH: componente horizontal de la tensin en el extremo del cable

Como alternativa se puede utilizar una aproximacin parablica de segundo grado a la catenaria (la diferencia es pequea), con lo que la descripcin del cable y su comportamiento se podran calcular con las siguientes expresiones:

Donde:L1: luz libre entre apoyos del cable

PESO PROPIO DE LOS CABLES CON DEFLEXIN ASIMTRICA:

En este caso las expresiones que describen el comportamiento del cable son bastante ms complejas que en el cable simtrico:Donde:T: tensin en el extremo ms alto del cableT: tensin en el extremo ms bajo del cableH: componente horizontal de la tensin en el extremo ms alto del cableH: componente horizontal de la tensin en el extremo ms bajo del cableS: cortante en el extremo ms alto del cableS: cortante en el extremo ms bajo del cableL: longitud del segmento de catenariaX: proyeccin horizontal del segmento de catenariaZ: desnivel entre los dos extremos del segmento de catenariaD L: incremento de longitud del cable por efecto del peso propioE: mdulo de elasticidad del material constitutivo del cableA: seccin transversal del cable

Para conocer las solicitaciones en un arco de catenaria, a partir de su geometra general (X y Z son conocidos o estimados), se debe imponer un valor de H (generalmente se toma como referencia la tensin que se desea equilibrar en el cable del tramo central) y utilizar secuencialmente las ecuaciones antes detalladas. Si se utiliza la aproximacin parablica a la catenaria, el formulario bsico que describe el comportamiento del cable es el siguiente:

ASPECTOS ESPECIALES DE ANLISIS, DISEO Y CONSTRUCCIN DE PUENTES COLGANTES

Como se podr observar a continuacin, es muy difcil desligar el anlisis y diseo de puentes colgantes, de su construccin.El peso propio del cable constituye una fraccin de las cargas gravitacionales que actan sobre los puentes colgantes. Adicionalmente acta el peso de los restantes elementos estructurales, la carga permanente no estructural y las cargas vivas.La mejor manera de modelar el comportamiento del cable (que es el componente ms importante de la estructura) consiste en utilizar programas estndar de Anlisis Matricial de Estructuras Espaciales como SAP2000 o SAP90. Se dividen los cables en un alto nmero de segmentos y se analizan las solicitaciones provocadas por los diferentes tipos de cargas.Es importante notar que la carga permanente, adicional al peso propio del cable, es generalmente una carga uniformemente distribuida (o bastante cercana a ello), por lo que la geometra esperada en el cable, luego de las deformaciones del mismo ser bastante cercana a una catenaria, conviniendo asumir inicialmente que la geometra del cable corresponde a una catenaria.

La primera sorpresa con la que nos encontramos cuando se analiza un cable bajo su propio peso, por el Mtodo Matricial, es que las deformaciones son muy importantes (en un cable de 300 m de longitud y 60 m de flecha es frecuente obtener deflexiones del orden de los 3 m en el centro de la luz).

Si un cable cambia su flecha de 60 m a 63 m, la primera consecuencia lgica es que los esfuerzos en el cable sern diferentes (sern menores), por lo que podra convenir analizar la estructura con Teora de Segundo Orden, o con varias Aproximaciones de Primer Orden hacia la geometra final del cable. Lamentablemente este es el menor de los problemas en los cables estructurales de puentes colgantes. Junto con el cable descender toda la estructura los mismos 3 m, en el centro de la luz, lo que provocara efectos indeseables.Si durante la colocacin del cable se lo tensa desde la zona de anclaje para que la flecha quede en 60 m (y no en 63 m en el presente ejemplo), el problema quedara solucionado para esta fase. Es evidente que este proceso constructivo determinar la manera de realizar el anlisis y el diseo del cable y de toda la estructura.

Si se compensa la deflexin, basta realizar el anlisis con Teora de Primer Orden.

Cuando se colocan los tensores, las vigas transversales, las vigas longitudinales, las diagonales y contradiagonales, la estructura de soporte vehicular, y toda la carga permanente, se producen sucesivamente nuevas deflexiones tanto o ms importantes que las provocadas por el cable. Nuevamente tendramos deformaciones indeseables que podran ser compensadas total o parcialmente mediante nuevos tensados de los cables desde la zona de anclaje. Para poder llevar a cabo este proceso ser necesario que los cables no tengan un anclaje definitivo, sino provisional, durante las fases iniciales de la construccin.

Adems deber calcularse el efecto del tensado adicional del cable sobre la posicin final de los restantes componentes estructurales, y las solicitaciones que podran generarse sobre esos componentes.Dependiendo de las fases de la construccin en que se realicen los ajustes de las flechas, el anlisis estructural para ciertas cargas, y ciertos elementos, podr ser realizado con Teora de Primer Orden en lugar de Teora de Segundo Orden.Al igual que los cables principales, los tensores tambin pueden estar sujetos a pequeos ajustes de longitud, para controlar adecuadamente las deflexiones. Estos esquemas de construccin tambin tendrn su efecto sobre la manera de analizar la estructura.Generalmente lo que se realiza en construccin es un tensado del cable durante su colocacin, de modo que se produzcan contraflechas iniciales que compensen las flechas que se generarn posteriormente debido a las cargas permanentes. Este hecho facilita considerablemente el proceso constructivo.Adicionalmente a esto se introduce geomtricamente, durante el diseo, una mayor elevacin de la zona central de los puentes colgantes (estructura de soporte vehicular), con el objeto de que durante las fases de mxima carga viva, las deflexiones naturales en este tipo de estructuras pasen desapercibidas para los usuarios.En todo caso, el efecto de las cargas vivas sobre la estructura deber ser analizado con Teora de Segundo Orden, pues para esas instancias el anclaje definitivo ya deber haber sido realizado.Es evidente que las actividades de ajuste realizadas durante la construccin tienen influencia decisiva sobre el Anlisis y Diseo Estructural. As mismo, las hiptesis de anlisis y diseo deben transformarse en actividades clave durante la construccin.

En definitiva, debern manejarse diferentes modelos estructurales que tomen en consideracin el comportamiento de cada elemento estructural durante la fase de construccin. Esos modelos ocasionalmente podrn ser planos pero conforme avance el proceso constructivo se convertirn en modelos tridimensionales.Otro aspecto primordial dentro del anlisis y diseo de puentes colgantes constituye la necesidad de tomar en consideracin los efectos dinmicos causados por sismos y vientos. Los puentes colgantes son particularmente sensibles a las oscilaciones, por lo que normalmente se requieren redistribuciones de masas y ajustes de rigideces laterales para disminuir los efectos dinmicos a magnitudes manejables.Desde el punto de vista constructivo, el manejo de los grandes pesos que tienen los cables principales constituye un serio limitante, particularmente para nuestro pas. Otro problema serio constituye la infraestructura necesaria para poder realizar el tensado progresivo de los cables hasta realizar su anclaje definitivo.Los detalles constructivos constituyen otro problema en nuestro medio. Durante el diseo se deben tomar muchas de las decisiones sobre la construccin. Se utilizarn elementos prefabricados? Se colocarn varios cables en cada uno de los extremos de las torres de sustentacin?

Tipos de suspensin

La suspensin en los puentes ms antiguos puede hacerse por cadenas o barras enlazadas, los puentes modernos tienen mltiples cables de acero. Esto es para mayor redundancia; unos pocos cables con defectos o fallos entre los cientos que forman el cable principal son una pequea amenaza, mientras que un solo eslabn o barra malo o con defectos puede eliminar el margen de calidad o echar abajo la estructura.

Tipos de tableros en los puentes colgantes

La mayora de los puentes colgantes usa estructuras de acero reticuladas para soportar la carretera (particularmente poseyendo los efectos desfavorables). Recientes desarrollos en aerodinmica de puentes han permitido la introduccin de estructuras de plataforma. En la ilustracin de la derecha ntese la forma muy aguzada en el borde y la pendiente en la parte inferior del tablero.

Esto posibilita la construccin de este tipo sin el peligro de que se generen remolinos de aire (cuando sopla el viento) que hagan retorcerse al puente como ocurri con el puente de Tacoma Narrows.

Los Puentes Colgantes Ms Grandes del MundoAkashi-Kaikyo, entre Kobe y Naruto Japn

Ao de terminacin: 1998Longitud: 1991 mEl puente de Akashi-Kaikyo es considerado el puente colgante ms largo del mundo, su costo estimado es de 5 billones de dlares y circulan aproximadamente 23,000 vehculos por da.

Great Belt Bridge, entre Zealand y Funen DinamarcaAo de terminacin: 1998Longitud: 1624 mEl Great Belt Bridge (el gran cinturn), el segundo puente colgante ms grande del mundo, fue construdo para reemplazar el uso de Ferries para ir entre las islas de Zealand y Fulen en Dinamarca. Tiene un trfico de 27,600 vehculos por da. Su costo estimado fue de 4.1 billones de dlares, siendo la obra ms costosa que ha hecho Dinamarca en la historia.

Runyang Bridge, Jiangsu ChinaAo de terminacin: 2005Longitud: 1490 mEl puente de Runyang en China, es el ms grande que cruza el RoYangTse y el puente colgante ms largo de China. Terminado recientemente en el 2005, y superando el tercer puesto al Humber Bridge de Inglaterra.

Humber Bridge, Kingston InglaterraAo de terminacin: 1981Longitud: 1410 mEl Puente Humber de Inglaterra, cuando fue terminado en 1981 era el ms grande del mundo, y as estuvo durante 17 aos hasta la construccin de los anteriormente mencionados.

CONCLUSIONES SOBRE LOS PUENTES COLGANTES:

El diseo y la construccin de puentes colgantes es una alternativa vlida para puentes de gran longitud. La implementacin en el pas de este tipo de puentes debe incluir un cambio en la manera tradicional de mirar el diseo y la construccin como actividades separadas e independientes dentro de la prctica ingenieril, convirtindolas en actividades ntimamente ligadas.La incorporacin de nuevas tecnologas, como la requerida para construir puentes colgantes, requiere la creacin de una infraestructura costosa que al momento no existe en el pas.