Puentes Instituto Técnico en Acero - · PDF file4 DISEÑO INICIAL DE PUENTES DE VIGAS ARMADAS NO MIXTAS ..... 79 4.1 Sección transver sal del puente ... 2 TIPOS DE PUENTES EN ARCO

Sistemas estructurales:Puentes

Instituto Técnicode la Estructuraen Acero

I T E A

18

ÍNDICE DEL TOMO 18

SISTEMAS ESTRUCTURALES: PUENTES

Lección 18.1: Elección Conceptual ........................................................ 1

1 PRELIMINAR .................................................................................................. 4

2 FORMAS FUNDAMENTALES DE PUENTES ................................................ 5

2.1 Introducción ........................................................................................... 5

2.2 Puentes que soportan cargas principalmente a flexión ................... 5

2.3 Puentes que soportan sus cargas principalmente como esfuerzosaxiales .................................................................................................... 5

2.4 Puentes de Celosía ............................................................................... 6

3 OBJETO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE ......................................................... 7

3.1 Introducción ........................................................................................... 7

3.2 Requisitos de espacio libre ................................................................. 7

3.3. Cargas .................................................................................................... 7

3.4 La Topografía y Geología de la Obra .................................................. 8

4 OTROS FACTORES QUE EJERCEN INFLUENCIA EN LA ELECCIÓN CONCEPTUAL ................................................................................................ 10

4.1 Introducción ........................................................................................... 10

4.2 Métodos de montaje ............................................................................. 10

4.2.1 Montaje a pie de obra ............................................................... 10

4.2.2 Lanzamiento .............................................................................. 10

4.2.3 Elevación .................................................................................... 11

4.2.4 Montaje en voladizo .................................................................. 11

4.2.5 Deslizamiento ............................................................................ 12

4.3 Técnicas y materiales de construcción locales ................................. 12

4.4 Inspección y mantenimiento futuros .................................................. 12

4.5 Aspectos estéticos y ambientales ...................................................... 13

I

ÍNDICE

5 CONSIDERACIONES DETALLADAS-PUENTES DE VIGAS DE ALMA LLENA ........................................................................................... 15

5.1 Introducción ........................................................................................... 15

5.2 El Tablero ............................................................................................... 15

5.3 Disposiciones típicas de puentes de pequeña y mediana luz ......... 16

5.4 Puentes de viga de alma llena de gran luz ......................................... 19

5.5 ¿Coste mínimo o peso mínimo? ......................................................... 20

5.6 Proyecto de construcción .................................................................... 21

6 OBSERVACIONES FINALES ......................................................................... 23

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 24

8 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL .......................................................................... 24

Lección 18.2: Acciones en Puentes ....................................................... 25

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 28

2 HIPÓTESIS DE CARGAS DE CARRETERAS ............................................... 30

2.1 Carga Permanente ................................................................................. 30

2.2 Cargas debidas al tráfico ..................................................................... 30

2.3 Fuerzas de arranque longitudinales ................................................... 31

2.4 Fuerzas centrífugas .............................................................................. 32

2.5 Aceras y Pretiles ................................................................................... 32

3 HIPÓTESIS DE CARGA DE FERROCARRILES ........................................... 34

3.1 Carga Permanente ................................................................................. 34

3.2 Cargas debidas a los trenes ................................................................ 34

3.3 Efectos dinámicos (impacto) ............................................................... 34

3.4 Fuerzas de arranque logitudinales ...................................................... 35

3.5 Fuerzas centrífugas .............................................................................. 35

3.6 Fuerzas transversales debidas a las cargas ...................................... 35

4 OTRAS CARGAS EN LOS PUENTES ........................................................... 36

4.1 Cargas del viento .................................................................................. 36

4.2 Efectos térmicos en las estructuras de los puentes ......................... 36

4.3 Retracción del hormigón ...................................................................... 38

4.4 Asientos de la cimentación .................................................................. 38

4.5 Acciones sísmicas ................................................................................ 38

II

4.6 Fuerzas debidas a las corrientes de agua o al hielo ......................... 40

4.7 Colisiones .............................................................................................. 40

4.8 Rozamiento en las estructuras de apoyo ........................................... 40

4.9 Cargas de construcción y montaje ..................................................... 42

5 CASOS DE CARGA CRÍTICA PARA EL CÁLCULO .................................... 43

5.1 Combinaciones de cargas .................................................................... 43

5.2 Concepción del proceso de construcción ......................................... 43

5.3 Acciones variables en la estructura finalizada .................................. 43

6 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 45

7 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 45

Lección 18.3: Tableros de Puentes ........................................................ 47

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 50

2 DESARROLLO HISTÓRICO ........................................................................... 52

2.1 De la separación a la integración de funciones ................................ 52

2.2 Una mayor sencillez .............................................................................. 53

2.3 Evolución del larguero en los tableros de acero ............................... 53

3 TABLEROS ACTUALES PARA PUENTES DE CARRETERAS .................... 56

3.1 Losas de Hormigón Armado para Puentes Mixtos ............................ 56

3.1.1 Tramos y cantos ........................................................................ 56

3.1.2 Métodos de construcción ......................................................... 56

3.1.3 Métodos de análisis y diseño .................................................. 56

3.2 Tableros de acero ortotrópicos ........................................................... 59

3.2.1 Introducción ............................................................................... 59

3.2.2 Comportamiento estructural de los tableros de acero ortotrópicos ............................................................................... 59

3.2.3 El tablero ortotrópico “europeo” y los métodos de construcción .............................................................................. 60

3.2.4 Métodos de cálculo y verificación del diseño ........................ 60

4 TABLEROS ACTUALES PARA PUENTES DE FERROCARRILES .............. 64

4.1 Renovación de estructuras .................................................................. 64

4.2 Nuevos trazados .................................................................................... 64

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 66

6 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 66


III

ÍNDICE

Lección 18.4: Puentes de Vigas Armadas y Laminadas ...................... 67

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 70

1.1 Generalidades ........................................................................................ 70

1.2 Tipos de aplicaciones ........................................................................... 71

1.3 Campo de aplicación ............................................................................ 71

1.4 Tipos de puentes de vigas de tablero interior ................................... 72

2 DISPOSICIONES DE LOS TRAMOS ............................................................. 73

2.1 Tramos contínuos o simples ................................................................ 73

2.2 Proporción de las vigas principales ................................................... 73

3 DISEÑO INICIAL DE PUENTES DE VIGAS DE ALMA LLENA MIXTAS ..... 75

3.1 Separación de jácenas y espesor de la losa del tablero .................. 75

3.2 Predimensionado de las dimensiones del ala y del alma ................. 76

3.3 Consideraciones económicas y prácticas ......................................... 76

3.3.1 Consideraciones generales ..................................................... 76

3.3.2 Consideraciones sobre la construcción ................................. 77

4 DISEÑO INICIAL DE PUENTES DE VIGAS ARMADAS NO MIXTAS .......... 79

4.1 Sección transversal del puente ........................................................... 79

4.2 Vigas principales ................................................................................... 80

4.3 Tablero .................................................................................................... 80

4.4 Predimensinado de la viga principal ................................................... 81

5 ESTABILIDAD Y ARRIOSTRAMIENTO DE LAS JÁCENAS ......................... 82

5.1 Introducción ........................................................................................... 82

5.2 Puentes de vigas armadas mixtas ...................................................... 82

5.3 Vigas armadas no mixtas ..................................................................... 84

6 DISEÑO DE DETALLE .................................................................................... 85

6.1 Análisis global ....................................................................................... 85

6.2 Acciones y combinaciones .................................................................. 85

6.3 Diseño de elementos y uniones .......................................................... 86

6.4 Efectos característicos de las configuraciones de tablero abiertode emparrillado de acero ...................................................................... 86

6.4.1 Flexión de los largueros ........................................................... 87

6.4.2 Flexión alrededor del eje menor del travesaño de borde ..... 87

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 89

IV

8 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 89


Lección 18.5: Puentes de Celosías ........................................................ 91

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 94

2 DIFERENTES TIPOS DE VIGAS DE CELOSÍA ............................................. 96

2.1 Antecedentes históricos ...................................................................... 96

2.2 Puentes de celosía para carreteras ..................................................... 96

2.3 Elección de configuración de viga de celosía para puentes de ferrocarril .......................................................................................... 97

2.4 Aplicaciones particulares ..................................................................... 98

3 PRINCIPIOS GENERALES DEL DISEÑO ..................................................... 99

3.1 Intervalo de tramos ............................................................................... 99

3.2 Relación entre tramo y canto ............................................................... 99

3.3 Geometría ............................................................................................... 99

3.4 Calidad del acero .................................................................................. 99

3.5 Elementos de los cordones comprimidos .......................................... 99

3.6 Elementos de cordón a tracción ......................................................... 101

3.7 Elementos verticales y diagonales ..................................................... 101

3.8 Conservación ......................................................................................... 103

4 ARRIOSTRAMIENTO LATERAL .................................................................... 104

5 ANÁLISIS ........................................................................................................ 106

5.1 Efectos de las cargas globales ............................................................ 106

5.2 Efectos de las cargas locales .............................................................. 106

6 UNIONES ......................................................................................................107

6.1 Generalidades ........................................................................................ 107

6.2 Uniones de vigas de celosía ................................................................ 107

6.3 Uniones de los travesaños .................................................................. 109

6.4 Uniones de arriostramiento lateral ...................................................... 109

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 111

8 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 111


V

ÍNDICE

Lección 18.6: Puentes de Vigas Cajón .................................................. 113

1 HISTORIA ........................................................................................................ 116

2 PRINCIPIOS GENERALES DE DISEÑO ........................................................ 119

2.1 Tramo ...................................................................................................... 119

2.2 Relación entre luz y canto .................................................................... 119

2.3 Sección transversal .............................................................................. 119

2.4 Calidad del acero .................................................................................. 120

3 DETALLES ESTRUCTURALES ..................................................................... 121

3.1 Rigidizadores longitudinales ............................................................... 121

3.2 Diafragmas de las pilas y pórticos transversales intermedios ........ 121

3.3 Elementos transversales intermedios entre cajones ........................ 121

3.4 Estructuras de apoyo ........................................................................... 121

3.5 Protección frente a la corrosión .......................................................... 122

4 ANÁLISIS ........................................................................................................ 123

4.1 Generalidades ........................................................................................ 123

4.2 Torsión ................................................................................................... 123

4.3 Pórticos transversales intermedios arriostrados o no arriostrados ... 123

5 MÉTODOS DE MONTAJE .............................................................................. 124

6 APRENDER DE LOS ERRORES ................................................................... 125

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 128

8 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 128

Lección 18.7: Puentes arco .................................................................... 129

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 132

1.1 Generalidades ........................................................................................ 132

1.2 Desarrollo histórico .............................................................................. 132

1.3 Tipos de aplicaciones ........................................................................... 132

1.4 Campo de aplicación ............................................................................ 132

2 TIPOS DE PUENTES EN ARCO .................................................................... 133

2.1 Disposición de arcos ............................................................................ 133

2.2 Disposición estructural ........................................................................ 134

VI

3 ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS ................................................................ 135

3.1 El Arco .................................................................................................... 135

3.2 La viga de rigidez .................................................................................. 136

3.3 Las péndolas ......................................................................................... 137

3.4 Los pórticos de los extremos .............................................................. 137

4 ASPECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO Y ANÁLISIS .............. 139

4.1 Efectos primarios .................................................................................. 139

4.1.1 Carga máxima ............................................................................ 139

4.1.2 Carga máxima en la mitad de la longitud del puente ............ 139

4.1.3 Carga máxima un lado del puente ........................................... 140

4.1.4 Carga máxima alterna en la mitad de la longitud del puente .. 140

4.2 Efectos secundarios ............................................................................. 141

4.2.1 Flexión de las péndolas ............................................................ 141

4.2.2 Efectos locales en el tablero .................................................... 142

4.2.3 Vibraciones de las péndolas .................................................... 142

5 COMPARACIÓN ENTRE LOS TIPOS DE PUENTES EN ARCO .................. 143

6 CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE CONSTRUCCIÓN .......................... 144

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 147

8 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 147


APÉNDICE A: FORMAS PRÁCTICAS DE GARANTIZAR QUE LAS VIBRACIONES DE LAS PÉNDOLAS SE REDUCEN AL MÍNIMO 149

Lección 18.8: Puentes Atirantados ........................................................ 151

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 154

2 TIPOS .............................................................................................................. 155

2.1 Disposición del cableado ..................................................................... 155

2.2 Condiciones de apoyo de la jácena .................................................... 156

2.3 Posición de los planos de los cables y tipos de jácena ................... 157

3 ELECCIÓN DE LOS ELEMNTOS ................................................................... 158

3.1 Cableado ................................................................................................ 158

3.2 Jácena .................................................................................................... 158

3.3 Torre ....................................................................................................... 160

4 ASPECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO Y ANÁLISIS .............. 162

VII

ÍNDICE

5 UNIONES ........................................................................................................ 165


7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 169


Lección 18.9: Puentes Colgantes ........................................................... 171

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 174

2 TIPOS ............................................................................................................... 176

3 ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS ................................................................ 177

3.1 Los cables principales .......................................................................... 177

3.2 Torres ..................................................................................................... 178

3.3 Viga de rigidez ....................................................................................... 179

3.4 Anclajes .................................................................................................. 180

4 EFECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO Y ANÁLISIS ................. 182

4.1 Temperatura ........................................................................................... 182

4.2 Acciones aerodinámicas ...................................................................... 182

4.3 Análisis ................................................................................................... 184

5 UNIONES ........................................................................................................ 186

5.1 Péndolas y flejes de cables ................................................................... 186


7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 189


Lección 18.10: Equipamiento del Puente (Apoyos, Pretiles, etc.) ...... 191

1 SISTEMAS DE APOYOS ................................................................................ 194

1.1 Función .................................................................................................. 194

1.2 Plan de conjunto ................................................................................... 194

1.3 Tipos de apoyos .................................................................................... 194

1.3.1 Apoyos de acero ....................................................................... 195

1.3.2 Apoyos elastoméricos .............................................................. 197

1.3.3 Apoyos de caja .......................................................................... 198

1.3.4 Apoyos de rótula (esféricos) .................................................... 199

1.4 Condiciones de instalación de los sistemas de apoyo ..................... 199

VIII

2 ACABADOS .................................................................................................. 201

2.1 Capa de impermeabilización ............................................................... 201

2.1.1 En una losa de hormigón ......................................................... 201

2.1.2 En una losa ortotrópica ............................................................ 201

2.2 Capa de desgaste ................................................................................ 201

2.2.1 En una losa de hormigón ......................................................... 202

2.2.2 En una losa ortotrópica ............................................................ 202

3 JUNTAS DE DILATACIÓN ............................................................................ 203

3.1 Cracteríticas de las juntas de dilatación ........................................... 203

3.1.1 Campo de movimiento .............................................................. 203

3.1.2 Características del diseño ........................................................ 203

3.2 Tipos de juntas de dilatación ............................................................... 203

3.2.1 Juntas con revestimiento contínuo (Junta de obturador asfáltico)...................................................................................... 203

3.2.2 Juntas dentadas ........................................................................ 204

3.2.3 Juntas elastoméricas ................................................................ 204

3.2.4 Juntas de postigo de rodillo .................................................... 204

3.2.5 Juntas de acero múltiples o juntas de fuelle ......................... 204

4 PRETILES ..................................................................................................... 206

4.1 Pretiles para peatones ......................................................................... 206

4.2 Barreras de choque ............................................................................. 206

4.3 Barreras de seguridad ......................................................................... 207

5 PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN ............................................... 208

6 DRENAJE DEL AGUA DE LLUVIA .............................................................. 209

7 IMPOSTAS .................................................................................................... 210

8 INSTALACIONES DE INSPECCIÓN ............................................................ 211

8.1 Instalaciones fijas ................................................................................ 211

8.2 Instalaciones móviles .......................................................................... 211

8.3 Equipo especial .................................................................................... 211

9 INTEGRACIÓN DEL EQUIPAMIENTO EN AL DISEÑO GENERAL ........... 212

10 RESUMEN FINAL ......................................................................................... 213

11 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL ........................................................................ 213

IX

ÍNDICE

Lección 18.11: Cubrejuntas y otras uniones en Puentes .................... 215

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 218

2 TIPOS DE EMPALMES ................................................................................... 219

2.1 Empalmes soldados ............................................................................. 219

2.2 Empalmes atornillados ......................................................................... 220

2.3 Empalmes híbridos ............................................................................... 220

3 DISEÑO ........................................................................................................... 222

4 TIPOS DE BARRA .......................................................................................... 223

4.1 Vigas laminadas y armadas ................................................................. 223

4.2 Vigas de celosía .................................................................................... 223

4.3 Barras secundarias ............................................................................... 223

4.4 Tableros ortotrópicos ........................................................................... 225

5 FATIGA ............................................................................................................ 226

6 FABRICACIÓN Y MONTAJE .......................................................................... 227

7 INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD ..................................................... 228

8 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 229


Lección 18.12: Introducción a la Construcción de Puentes ............... 231

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 234

2 PROGRAMACIÓN INICIAL ............................................................................. 236

2.1 Promoción .............................................................................................. 236

2.2 Programación ........................................................................................ 236

2.3 Formalización del contrato .................................................................. 236

2.4 El supervisor independiente ................................................................ 236

3 PROCEDIMIENTOS DE LICITACIÓN ............................................................. 237

4 VALORACIÓN DEL COSTE DE UN PUENTE DE ACERO ........................... 238

5 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DE UN LICITADOR COMO FABRICANTE DE ESTRUCTURAS DE ACERO ............................... 239

5.1 Capacidad técnica ................................................................................. 239

5.2 Programa ................................................................................................ 239

5.3 Costes .................................................................................................... 239

X

6 EJECUCIÓN-GENERALIDADES .................................................................. 240

7 MATERIALES ................................................................................................. 241

7.1 Especificaciones del acero ................................................................ 241

7.2 Clase de acero y el fabricante de taller ............................................ 241

7.3 Soldabilidad y procedimientos de soldadura .................................. 241

8 PLAN DE CONJUNTO E INSTALACIONES DEL TALLER .......................... 243

8.1 Generalidades ..................................................................................... 243

8.2 Objetivos .............................................................................................. 243

8.3 Taller de fabricación ........................................................................... 243

8.4 Estandarización ................................................................................... 244

9 LA FABRICACIÓN EN LA PRÁCTICA ......................................................... 246

9.1 Introducción ........................................................................................ 246

9.2 La información para fabricación ....................................................... 246

9.3 Tamaño de las piezas fabricadas ...................................................... 246

9.4 Procedimiento de un puente mixto típico ........................................ 248

9.5 Vigas armadas ..................................................................................... 250

9.6 Puentes de celosías o de vigas de celosías .................................... 250

9.7 Puentes de vigas en cajón ................................................................. 253

10 TRANSPORTE ............................................................................................... 255

11 ENSAMBLAJE Y MONTAJE EN LA OBRA ................................................. 256

11.1 Introducción ........................................................................................ 256

11.2 Métodos de montaje ........................................................................... 256

11.2.1 Generalidades .......................................................................... 256

11.2.2 Montaje a pie de obra .............................................................. 256

11.2.3 Lanzamiento ............................................................................. 256

11.2.4 Izado .......................................................................................... 257

11.2.5 Montaje en voladizo ................................................................ 257

11.2.6 Deslizamiento ........................................................................... 257

11.2.7 Elección del método ................................................................ 257

11.3 Control de tolerancias dimensionales .............................................. 258

11.4 Efectos del viento ............................................................................... 258

11.5 Uniones en la obra .............................................................................. 258

12 ORGANIZACIÓN EN LA OBRA .................................................................... 260

12.1 Generalidades ..................................................................................... 260

XI

ÍNDICE

12.2 El representante en la obra ................................................................ 260

12.3 Personal subalterno en la obra ......................................................... 260

12.4 Información facilitada ......................................................................... 260

12.5 Personal del promotor en la obra ..................................................... 260

13 RESUMEN FINAL .......................................................................................... 261

14 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 261

XII

ESDEP TOMO 18SISTEMAS ESTRUCTURALES: PUENTES

Lección 18.1: Elección Conceptual

1

3

OBJETIVOS/ALCANCE

OBJETIVOS/CONTENIDO

Introducir al proyectista en los principalessistemas conceptuales que se tienen que aplicarpara el cálculo de puentes de acero y mixtos deforma económica y satisfactoria.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Ninguno

LECCIONES AFINES

Lección 2.6.1: Introducción al Proyecto dePuentes de Acero y MixtosParte 1.

Lección 2.6.2: Introducción al Proyecto dePuentes de Acero y MixtosParte 2.

RESUMEN

Esta lección subraya la importancia deldiseño conceptual correcto de puentes. Despuésde una breve introducción acerca de los diferen-tes tipos de puentes, destaca las influencias quela función de los puentes y otros factores quepueden ejercer en la selección de la formaestructural correcta.

1. PRELIMINAR

“Si comprende bien el concepto, el pro-yecto estará bien”. Una afirmación trivial, peroque contiene un elemento considerable de ver-dad (siempre que, por supuesto, el desarrollodel concepto se lleve a cabo de forma correcta).Si el concepto es erróneo, conducirá en el mejorde los casos a un proyecto poco óptimo, o en elpeor de los casos a un trabajo muy ineficaz o aun proyecto bastante poco apropiado a su ubi-cación. El proyecto conceptual no implica cálcu-los pormenorizados; en efecto, en la mayoría delas circunstancias, un proyectista experimenta-do probablemente sería capaz de realizar un

proyecto seguro y económico a partir de laexperiencia anterior y sólo utilizaría cálculosminuciosos como una verificación final o para“un ajuste”.

El objetivo de esta lección es ofrecer a unproyectista inexperto una orientación sobre laselecciones conceptuales que se deben realizar.Se expresa deliberadamente en términos gene-rales y no hace uso específico de normas nacio-nales o internacionales en particular para el dise-ño de puentes. Además, muchos de losconceptos descritos podrían diseñarse tanto enacero como en hormigón; en dichos casos, sehace hincapié en la construcción de acero.

4

2. FORMAS FUNDAMENTALESDE PUENTES

2.1 Introducción

Antes de intentar describir cómo abordasu trabajo un proyectista, resulta útil hacer unadistinción en términos muy amplios entre losdiversos tipos de puentes. (En la lección 2.6.1 seofrece un catálogo más detallado de los tipos depuentes: Introducción al Diseño de Puentes deAcero y Mixtos Parte 1. En las lecciones 18 res-tantes se habla sobre diseño).

2.2 Puentes que soportan cargasprincipalmente a flexiónLa gran mayoría de los puentes son de

este tipo. Las cargas se transfieren a las estruc-turas de apoyo y pilas, mediante losas o vigasque actúan a flexión, es decir, los puentes obtie-nen su resistencia sustentadora a partir de lacapacidad de las losas y vigas para resistir losmomentos de flexión y los esfuerzos de cizalla-miento o cortantes. Sólo en los tramos más cor-tos es posible adoptar una losa sin forma deviga. Así, generalmente se aludirá a este tipo depuente como puente de vigas de alma llena.Como puede verse en la lección 2.6.1, es posibleuna amplia variedad de formas estructurales. Lafigura 1 muestra un alzado típico de un puente

de vigas de alma llena en el que se definendiversos términos.

2.3 Puentes que soportan sus cargas principalmente comoesfuerzos axialesEste tipo puede subdividirse a su vez

entre aquellos puentes en los que los esfuerzosaxiales son de compresión (arcos) y aquéllos enlos que estas fuerzas son de tracción (puentescolgantes y puentes atirantados). A dichas fuer-zas normalmente tienen que ofrecerles resisten-cia elementos que soportan fuerzas de sentidocontrario. Las figuras 2a a 2d muestran los siste-mas estructurales básicos de algunos disposicio-nes típicas.

No se debe pensar que la flexión no tieneimportancia en estructuras de este tipo. Es cier-to que en la mayoría de los puentes colgantes, laflexión de la viga de rigidez (véase la figura 2c)no es una carga principal para la que es pocoprobable que la sobretensión provoque un falloglobal; sin embargo, en puentes de cables incli-nados (especialmente si los tirantes están muyseparados), la flexión de la jácena constituye unacarga principal. De forma similar, en los puentesde arco, cargas no uniformes del nervio puedeproducir momentos de flexión principal que sedesarrollarán en el mismo y pueden perfecta-mente determinar el diseño del arco.

5

FORMAS FUNDAMENTALES DE PUENTES

Pretil Viga principal

Tablero para tráfico

ApoyosJunta de dilatación

Superestructura

Subestructura

Estribo Pila

Figura 1 Alzado de un puente de vigas de alma llena

2.4 Puentes de Celosía

Los puentes de celosía noson en sí mismos formas especí-ficas de puentes; más bien, seutilizan vigas de celosía para rea-lizar las funciones de los elemen-tos específicos en uno de lostipos anteriores. Por ejemplo, unajácena a flexión o un arco a com-presión axial puede diseñarsecomo una celosía en lugar decomo una jácena de alma llenade chapa. Una viga de celosíautilizada como una jácena bajoflexión soporta sus momentos deflexión mediante el desarrollo decargas axiales en sus cordones ysus esfuerzos cortantes median-te el desarrollo de cargas axialesen sus elementos de alma. Lasdefiniciones pueden llegar a seralgo imprecisas, p. ej., un arcocon cuelgues (véase la figura 2b)en algunos casos se puede con-siderar que actúa como una jáce-na de celosía, especialmente silas péndolas están inclinadaspara conformar un sistema trian-gulado.

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Tablero para tráfico

PilaresArco Arranque

(a) Puente de arco empotrado

Péndolas Arco

Estribo

Tirante (tablero para tráfico)

(b) Puente de arco con tirante

Tramo principal Torre Anclaje al suelo

Viga de rigidez

(c) Puente colganteTirantes en abanico

Viga

Torre

(d) Puente de tirantes inclinados

Figura 2 Tipos de puente que soportan las cargas mediante esfuerzos axiales

3. OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE

3.1 IntroducciónUn puente debe proporcionar un servicio

(que puede ser el tráfico de una carretera o víaférrea, un paso peatonal, servicios públicos, etc.)sobre un obstáculo (que puede ser otra carrete-ra o línea férrea, un río, un valle, etc.) y transferirlas cargas del servicio a los cimientos a nivel delsuelo. Las consideraciones funcionales que ejer-cen una mayor influencia en la elección concep-tual son:

• Los requisitos de espacio libre (tantovertical como horizontalmente) y lanecesidad de evitar impactos

• El tipo y magnitud de la carga que se vaa soportar

• La topografía y geología de la obra

No es posible colocar estas consideracio-nes en un orden de importancia en particular; esprobable que la importancia relativa varíe de unproyecto a otro y cada uno debe considerarsesegún su influencia.

3.2 Requisitos de espacio libre

Todos los puentes deben diseñarse paragarantizar, en la medida de lo posible, que no reci-ban el impacto de los vehículos, buques o trenesque puedan pasar por debajo. Este requisito secumple normalmente especificando unos espa-cios libres mínimos. Es necesario recordar que losvalores diseñados deben tener en cuenta las fle-chas que se producen debido a cualquier cargaque pueda ocurrir en la estructura del puente. Losrequisitos de espacio libre pueden así determinarel tramo de un puente y además están relaciona-dos de forma significativa con el canto de cons-trucción. Aunque los requisitos normalmente nodeterminarán con precisión el tipo de puente, qui-zás eliminen algunas posibilidades.

Generalmente y a modo de ejemplo, seríade esperar que un puente sobre una carretera

importante tuviera un espacio libre vertical míni-mo de aproximadamente 5,3 metros; incluso conesto podría no evitarse un impacto accidental (p.ej., se han dado casos de brazos de grúas quese desplazan sobre vehículos oruga, que se hansoltado y desplazado). Además, las posicionesde las pilas deben ser tales que se reduzca almínimo la probabilidad de un impacto de vehícu-los errantes, tanto para proteger a la pila como alpropio vehículo. Este requisito se consigue gene-ralmente alejando la pila a una distancia razona-ble del borde de la calzada.

Las autoridades ferroviarias establecennormas estrictas para el espacio libre vertical ylateral sobre los ferrocarriles, normas que debencumplirse.

Las autoridades de navegación especifi-can espacios libres sobre los ríos, para tener encuenta no sólo la altura de los mástiles y laanchura de los barcos que pasan bajo el puente,sino también los requisitos particulares de laspilas en la vía fluvial (o en una planicie de inun-dación) para evitar una excesiva velocidad decaudal y la socavación de las orillas del río.

Al considerar el espacio libre vertical, unproyectista debe tener en cuenta los problemasde su consecución. La pendiente del acceso delpuente de carretera normalmente no debesobrepasar un 4% aproximadamente y un puen-te de ferrocarril mucho menos.

3.3 Cargas

El tipo y la magnitud de la carga estánrelacionados de forma significativa con la formade un puente. Debido a su naturaleza es imposi-ble determinar exactamente la carga de unaautovía, ya sea en su disposición o en su magni-tud. Por razones obvias, un puente de autovíarequiere un tablero sobre el que pueda circular eltráfico y (a menos que el tramo sea tan corto queuna simple losa sea suficiente para extenderseentre los estribos) el tablero debe ser lo bastan-te fuerte como para distribuir la carga a las vigasprincipales. Tradicionalmente, los puentes deferrocarril se han proyectado sin tableros com-

7

OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE

pletos, ya que la posición de la carga era decisi-va y el puente podía construirse con vías de raí-les que discurrían directamente sobre las jáce-nas. No obstante, los modernos puentes deferrocarril, especialmente en ciertos entornos,poseen tableros para soportar el balasto. Estoúltimo es necesario para proporcionar unareducción del ruido satisfactoria. Un puente deservicios, p. ej., un oleoducto, puede prescindirde forma similar de un tablero.

Cada país posee su propio reglamentorelativo a la magnitud de la carga en puentes deferrocarril y carretera. Con el tiempo, en laComunidad Europea este reglamento será susti-tuido por un reglamento europeo de carga están-dar, pero hasta entonces se seguirán usando losreglamentos nacionales. Para puentes de carre-tera, la mayoría de los reglamentos nacionalestienen en común una carga uniforme, junto conuna carga lineal (o series de cargas puntuales),que representan ejes pesados aislados. Enmuchos reglamentos, la carga uniforme tiene unaintensidad decreciente a medida que aumenta lalongitud del puente, para tener en cuenta la pro-babilidad reducida de una concentración decamiones pesados. Además, existen reglas paracargas de carriles múltiples, que con frecuenciadan por sentado que no más de dos carrilesestán cargados totalmente al mismo tiempo,basándose de nuevo en un enfoque probabilísti-co. Muchas autoridades también especifican veri-ficaciones para un único vehículo anormal muypesado. En muchos reglamentos, el efecto delimpacto (amplificación dinámica) de las cargasde las carreteras se tiene en cuenta implícita-mente en el reglamento de la carga estática.

Las cargas de las vías férreas son másdeterministas, puesto que las cargas de lostrenes más pesados se conocen razonable-mente bien. No obstante, muchos reglamen-tos sobre cargas de vías férreas requieren uncálculo explícito del efecto del impacto.

Además, las fuerzas que surgen del fre-nado o la aceleración de los vehículos, los efec-tos centrífugos sobre los puentes curvos, losefectos de la temperatura y el viento debentenerse en cuenta cuando sean relevantes.

Mientras que los detalles de cargas apli-cadas son apropiados para el proyecto detalladomás que para el proyecto conceptual de unpuente, ciertos aspectos entran dentro del con-cepto. Por ejemplo, siempre que se especificanvehículos anormalmente pesados, el puenterequerirá una buena repartición de la cargatransversal. Este requisito puede eliminar ciertasformas de construcción. Los efectos de la tem-peratura son importantes para el plan de conjun-to del aparato de apoyo y la articulación estruc-tural y la carga debida al viento desempeña unpapel predominante en el proyecto conceptualde los tramos muy largos, aun cuando puederesultar insignificante para tramos cortos (excep-to, posiblemente, para los cimientos).

La lección 18.2 ofrece una introducciónpormenorizada a la carga de los puentes.

3.4 La Topografía y Geología de la ObraAlgunas veces, este aspecto determina

por sí solo la forma estructural. Por ejemplo:

• La topografía general de la obra deter-minará probablemente el trazado de lacarretera o vía férrea. Con alguna fre-cuencia esto puede significar que lospuentes tendrán que cruzar sobre otrascarreteras, vías férreas o ríos en unángulo considerable, lo que da lugar atramos oblicuos (figura 3). La carreterapuede estar en curva; mientras que esposible curvar un puente para seguir elcurso de la carretera, con frecuencia es

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Ángulo de oblicuidad

Figura 3 Típica planta de un puente esviado

caro y estructuralmente inefi-caz, ya que generalmenteimpone el uso de jácenas degran resistencia a la torsión,incluso para tramos cortos.Si la curva es ligera, quizássea preferible construir elpuente como una serie detramos rectos.

• Unas deficientes condicio-nes del terreno darán lugar amenos cimientos y, por lotanto, a unos tramos más lar-gos. En la figura 4 se ofreceuna representación esque-mática de los costes de unpuente. Se debe encontrarun equilibrio entre el coste de loscimientos y la superestructura, parareducir al mínimo el coste total.

• Algunas veces la topografía por sí solaindicará una solución en particular; elcaso clásico es un cañón profundo y delados rocosos, que es perfectamenteapropiado para un puente en arco fijo(figura 2a).

Generalmente, la obra del puente vienedeterminada por la geometría del obstá-culo y el terreno local.

• Sin embargo, siempre que sea posible,está bien considerar minuciosamente elemplazamiento. A menudo existe laposibilidad de reducir la magnitud deltramo, de evitar situar el puente en unacurva, de reducir el ángulo de sesgo ode mejorar la magnitud de construcción.

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OBJETIVO Y FUNCIÓN DE UN PUENTE

Costes

Total

Luz óptima

Superestructura

Cimientos

x

x

Luz

Figura 4 Costes de un puente (en diagrama)

4. OTROS FACTORES QUE EJERCEN INFLUENCIA EN LA ELECCIÓN CONCEPTUAL

4.1 IntroducciónAdemás de las consideraciones sobre el

objetivo y la función del puente, existen otros facto-res importantes que pueden ejercer una influenciasignificativa en el diseño conceptual de un puente.

4.2 Métodos de montaje

Desde hace tiempo se ha comprendidoque un proyectista debe tener en cuenta en eldiseño el método con el que se montará unpuente. De hecho no es infrecuente el caso en elque dicha consideración debe realizarse inclusoen el momento de la elección conceptual, ya quepuede ocurrir que el proyecto más atractivo a pri-mera vista sea imposible de construir en una ubi-cación en particular. Por ejemplo, un proyectoque se basa en su construcción en grandes pie-zas (tales como una gran viga en cajón) puededescartarse debido a la imposibilidad de trans-portar dichas piezas a una obra remota concarreteras de acceso inadecuadas.

Con frecuencia, especialmente en gran-des estructuras, es posible ajustar la distribucióndel momento y de las fuerzas en una estructuramediante la elección de una secuencia de mon-taje particular. Esta posibilidad puede afectar a laelección conceptual, p. ej., el proyectista de ungran cruce estuarial de tres tramos con un tramocentral de 200 m puede considerar que la mejorelección conceptual es una viga en cajón deacero reforzada en las pilas intermedias, quesoportaría así grandes momentos negativos enestas pilas y momentos positivos comparativa-mente bajos en el centro del vano. No obstante,el método de montaje más apropiado para estaobra puede ser poner a flote y levantar la mayorparte del tramo central en una pieza, provocan-do así grandes momentos positivos de cargapermanente en el centro del vano. Construyendoaltos los apoyos extremos y bajando los extre-mos del puente después de que se realiza la

unión del tramo principal, se puede provocar unmomento negativo global para contrarrestar elmomento positivo no deseado. Ciertamente estasolución requiere un análisis muy minucioso y uncálculo del trabajo de taller y las dimensiones decontraflecha para obtener el perfil de calzadacorrecto, ¡pero al menos el concepto estará bien!

Existen muchos métodos de montaje depuentes de acero; los cinco típicos son:

• Montaje a pie de obra

• Lanzamiento

• Elevación

• Montaje en voladizo

• Deslizamiento

Son posibles las combinaciones de estosmétodos.

4.2.1 Montaje a pie de obra

Este método implica el montaje del puen-te a partir de sus componentes o subconjuntosindividuales en su posición final, generalmentesobre cimbras o alguna otra forma de apoyo tem-poral, haciendo las juntas en la obra y retirandolas cimbras. Debe proporcionarse un adecuadoservicio de grúas que abarque toda la superficiedel tablero. La presencia de cimbras puede blo-quear temporalmente una carretera, vía férrea orío sobre el que se construye un puente. Debidoa que normalmente no se utilizan grandes piezasindividuales, es un método que puede ser facti-ble cuando el acceso a la obra es difícil. El mon-taje a pie de obra puede usarse conjuntamentecon otros métodos de montaje.

4.2.2 Lanzamiento

Este método supone el montaje de unpuente sobre rodillos o patines en su alineaciónfinal pero al lado del obstáculo que se ha de cru-zar. Cuando se ha finalizado, se empuja o se tirahacia adelante para cruzar el obstáculo y sehace descansar sobre aparatos de apoyo en laorilla contraria (figura 5).

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Aunque su principio es sencillo, el lanza-miento requiere una obra donde se puedanconstruir las grandes piezas del puente en líneaconforme a la posición final, pero en la orilla. Laoperación también requiere un control muy minu-cioso y un análisis detallado, ya que, en las diver-sas etapas, las secciones del puente puedenestar sometidas a cargas que difieran en granmedida de aquéllas que se dan en estado deservicio.

4.2.3 Elevación

Este método implicalevantar una parte indepen-diente o la totalidad de unpuente a o cerca de su posi-ción final (Figura 6). Entre laspiezas levantadas se puedeencontrar desde una peque-ña pasarela de unas pocastoneladas, hasta una gransección de un gran crucecuyo peso sea de 1000 tone-ladas. La elevación puedeser una operación completaen sí misma o parte de unesquema de montaje en vola-dizo.

El equipo de elevaciónvaría desde pequeñas grúaspara puentes pequeños hastagrúas flotantes muy grandespara piezas importantes depuentes de estuarios; puedenutilizarse cabrestantes ogatos en la parte del puente

que ya esté montada. Por lo tanto, la posi-ción y la topografía de la obra tendrán unefecto significativo en la elección concep-tual.

4.2.4 Montaje en voladizo

Este método implica construir unpuente, normalmente continuo sobrevarios tramos, progresivamente a partir de

uno o ambos estribos, uniendo secciones alextremo de las partes ya montadas (Figura 7).Un tramo de anclaje se iza o se monta in situ y,a continuación, se montan en voladizo las sec-ciones a partir de aquí, o bien elevándolas desdeel nivel del suelo o bien deslizándolas a lo largodel tablero y haciéndolas descender desde elextremo. La situación de la obra y el acceso a lamisma determinarán el tamaño de las piezasmontadas y esto a su vez tendrá que ver con la

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OTROS FACTORES QUE EJERCEN INFLUENCIA…

Dirección del lanzamiento

Pontón

Figura 5 Sistema de lanzamiento con pontón

60 m

Cable portante

Apoyo móvil

Cabrestante

Figura 6 Métodos de elevación de secciones de puente

elección original del concepto estructural. Elmontaje en voladizo es un método ideal para laconstrucción de puentes atirantados, usando losvientos como apoyos para el voladizo a medidaque avanzan las obras.

4.2.5 Deslizamiento

Este método supone la construcción delpuente desplazado lateralmente de la ubicaciónfinal y, a continuación, levantándolo lateralmentehasta su posición final. Por lo general se utilizapara sustituir un puente existente que no puederetirarse del servicio durante un período prolon-

gado. Por razones evidentes sólo esposible utilizarlo para ubicacionesmuy estrictamente limitadas.

4.3 Técnicas y materialesde construcción localesNi que decir tiene que un

puente debe adaptarse a la tecnolo-gía local. No es razonable especificarun proyecto sofisticado en acero sol-dado de alta resistencia si se tieneque importar todo el material y lamano de obra. Esta consideración seaplica no sólo a los puentes peque-ños: el nuevo puente Hooghly de untramo de 460 m en Calcuta, en cons-trucción en 1992, se diseñó como unpuente de cables atirantados rema-chados; las técnicas del remachadotodavía estaban disponibles en Indiay los aceros locales podrían haberdado problemas con la soldadura enobra; el proyecto resultó una solucióneconómica, mientras que en Europaprobablemente ya no existen rema-chadores y el acero soldado es lonormal.

4.4 Inspección y mantenimiento futuros

No se debe poner mucho énfasis en laimportancia de la inspección y el mantenimientofuturos, en las etapas tanto del proyecto concep-tual como del detallado. Es indudable que se leha prestado poca atención en el pasado y, comoconsecuencia, muchos puentes, de otra manerasatisfactorios, se han deteriorado debido a la difi-cultad de su inspección y mantenimiento. Esespecialmente importante señalar que en ubica-ciones donde el acceso resulta difícil (ya sea físi-camente o porque pudiera provocar una inte-rrupción de los servicios) deben evitarse en loposible los detalles que pudieran provocar dete-rioro. Esto se estudiará más detenidamente envarios sentidos, por ejemplo, si un puente debe

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(a) Esquema del conjunto

50T Grúas derrick móviles

Plataformas de montaje móviles

(b) Opciones para posicionar los segmentos

Figura 7 Montaje en voladizo de un puente de tirantes

ser una serie de tramos simples o si debe sercontinuo.

En la etapa conceptual del proyecto, unproyectista debe tener en cuenta si sería apro-piado utilizar un material tal como un acero resis-tente a los agentes climatológicos o quizás si laestructura debería estar totalmente construidacon un material libre de mantenimiento para pro-tegerlo y proporcionarle acceso para su inspec-ción. Cualquiera de estos recursos podría darlugar, por ejemplo, a una necesidad de un mayorespacio libre del puente sobre el obstáculo quese está cruzando. Quizás tendrían que conside-rarse simultáneamente con el plan de conjuntodel proyecto global. Por ejem-plo, la topografía podría indi-car que un pequeño cambioen la alineación podría darcabida a un mayor espaciolibre con poco o ningún gastoadicional.

4.5 Aspectos estéticos y ambientalesEl aspecto de los

puentes se ha convertido enlos últimos años en una cues-tión de gran importancia. Confrecuencia, un proyecto haceque una carretera o una líneade ferrocarril pasen a travésde una zona de gran bellezanatural y es importante quecualquier estructura guardearmonía con el entorno y nole afecte adversamente.Muchas autoridades piensanque algunos puentes real-mente contribuyen al entorno,proporcionando un interesan-te centro de atención en unpaisaje que de otra formaestaría vacío; el puenteSevern constituye un ejemplotípico. No obstante, lamenta-blemente existen muchos

puentes para los que lo contrario es cierto. Nopocas veces el problema se podría haber evita-do siguiendo unas reglas sencillas.

Por ejemplo, generalmente se acepta queun puente es más agradable desde el punto devista estético con un número impar de tramosque con un número par. Además, cierto grado deprofundidad en las pilas le puede añadir atracti-vo. La Figura 8 muestra una ubicación típica deun paso superior de carretera, con varias solu-ciones posibles, de las que cualquiera normal-mente es viable estructuralmente. Es indudableque las estructuras de 3 tramos son más atracti-vas que las de 2 tramos. Por lo tanto, a menos

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OTROS FACTORES QUE EJERCEN INFLUENCIA…

L/20 a L/30 (L/15 Puente de ferrocarril)

Calzada Calzada

L/18 L/40

L/15 L/40

L/18 L45

L

L

L

L

Figura 8 Alzados habituales de puentes sobre carreteras

que existan otras contraindicaciones, la elecciónconceptual debería tender hacia una solución de3 tramos.

En la sección 3.3 se indicó que en unpuente de ferrocarril es posible montar los raílesdirectamente sobre las vigas principales.Desgraciadamente, esta disposición da lugar a

un gran nivel de emisión de ruido y eso no seríaaceptable normalmente, sobre todo en una zonaurbana. El suministro de una losa de hormigónde tablero, junto con el uso de balasto y posible-mente montajes de raíles sobre apoyos elasto-méricos pueden producir una mejora espectacu-lar y muestra cuándo una elección “obvia” puedeser modificada por consideraciones ambientales.

14

5. CONSIDERACIONES DETALLADAS - PUENTES DE VIGAS DE ALMA LLENA

5.1 Introducción

En las Secciones 3 y 4 se han estudiadodiversos aspectos generales que un proyectistadebe tener en cuenta al hacer una elección con-ceptual. En la sección actual, la atención se cen-trará en algunas cuestiones más detalladas,como introducción a las formas particulares deconstrucción que se contemplan en otras leccio-nes. Como la gran mayoría de puentes son deltipo de jácena simple, nuestra atención se cen-trará en éstos.

5.2 El Tablero

En la Figura 9 semuestra una sección trans-versal de un puente decarretera de pequeña luz.Por razones obvias, unpuente de este tipo requie-re un tablero por el quepueda circular el tráfico. Eltablero debe ser lo bastan-te fuerte como para distri-buir las cargas locales a lasvigas principales. Paraestructuras de jácenas

múltiples de este tipo, al proyectista le queda unaelección conceptual muy reducida: la experienciaha demostrado que una losa de hormigón armadode un grosor aproximado de entre 200 y 300 mm,apoyada cada 3 - 3,5 m es apropiada para lamayoría de los fines. Para estructuras de gran luz,las soluciones de vigas gemelas resultan másatractivas y se requiere un tablero más grueso,probablemente de un canto variable o se debenintroducir travesaños. Sólo en puentes en los queel peso es realmente importante (p.ej., puentes degran luz o puentes móviles) normalmente esnecesario pensar en algo más.

Una posibilidad para la reducción delpeso del tablero es el uso de hormigón aligerado(un ejemplo es el puente Friarton de un tramoprincipal de 174 m en el Reino Unido, donde eltablero se ha construido como una losa de hor-migón armado aligerado). Sin embargo, unaalternativa más normal a una losa de hormigón

armado es un tablero de chapa de acerorigidizada ortotrópicamente. Se han pro-bado muchas disposiciones, algunas delas cuales han experimentado fatiga pre-matura, producida por las tensiones conti-nuas del tráfico. Ahora parece haberse lle-gado a un consenso general en Europarespecto a que la sección transversalmostrada en la Figura 10 es la “soluciónmás avanzada” para un tablero de aceroen 1992.

Finalmente, se debe subrayar queen los proyectos modernos el tablero, yasea de hormigón armado o de chapa deacero rigidizada, siempre estará unido a

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CONSIDERACIONES DETALLADAS-PUEMTES…

Acera AceraCalzada

Tablero de losa terminada con asfalto

Pretil

VigasConectadores

Figura 9 Sección tipo de un puente de carretera con calzada única

300

300 300 300

200

814

Figura 10 Tablero de acero ortotrópico

Conectores

las jácenas por debajo del mismo, de forma queactúe en combinación con ellas para soportar losmomentos de flexión que se les imponen. En elcaso de tableros de hormigón, esta unión se rea-lizará utilizando conectores (véase la figura 9) yen el caso de tableros de acero mediante unaunión directa (normalmente, soldadura o tornillosde alta resistencia por fricción).

5.3 Disposiciones típicas de puentes de pequeña y mediana luz

Las figuras 8, 11 y 12 muestran diversasdisposiciones de conjunto típicas de puentes deeste tipo con indicaciones de las dimensiones.En la Sección 4.5 ya se han comentado losaspectos estéticos. En la presente sección seabordan algunas cuestiones técnicas relaciona-das con las alternativas. Por ejemplo:

• ¿Cuáles son las ventajas relativas deconstruir el vano de la losa transversal-mente entre las vigas principales (figuras11 a, b, c, d y f) o construirla longitudinal-mente entre jácenas transversales quese extiendan entre las jácenas longitudi-nales (figura 11e)?

• ¿Debe la losa proporcionar el únicomedio de distribución para transferir lascargas debidas al tráfico desde lasuperficie de la carretera a las jácenaslongitudinales principales o se utilizaránjácenas transversales y/o arriostramien-tos transversales adicionales?

• ¿Debe la losa tener un canto constanteo variable?

• ¿Deben fabricarse las jácenas longitudi-nales principales a partir de perfileslaminados o deben elaborarse (p.ej.,vigas armadas o vigas en cajón)?

• ¿Deben proyectarse las vigas principa-les de forma que sean compactas o nocompactas?

• ¿Deben las vigas principales tener uncanto constante o variable?

• ¿Deben las vigas principales ser conti-nuas sobre las pilas o no? Si son conti-nuas, ¿en cuántos tramos debe estardividido el puente?

• ¿Cuál es el canto apropiado de lasvigas principales?

• ¿Existe alguna ventaja en el hecho deutilizar una estructura distinta a las jáce-nas libremente apoyadas, p.ej., los pór-ticos?

• ¿Cómo se tienen en cuenta las cargasambientales, p.ej., viento, temperatura?

Los puentes mostrados en las figuras 5, 8,11 y 12 son todos estructuras reales; la figura 11,en particular, identifica seis tipos de seccionestransversales para puentes de carreteras, de losque todos se han utilizado con éxito. Al final, laprueba en la etapa de proyecto detallado es quédisposición de conjunto es la más económicapara una obra en particular. Resolver esta cues-tión quizás requiera una cantidad significativa decálculos de ensayo y error. No obstante, es útilestablecer algunas pautas en la etapa de pro-yecto conceptual (¡no necesariamente en elmismo orden que las preguntas anteriores!):

• Si se construye una losa que se extien-da transversalmente entre las jácenaslongitudinales principales, la separaciónde jácenas se limita a 3 - 3,5 m (amenos que se utilice una losa másgruesa; es probable que dichas losastengan canto variable). Por lo tanto, si lacalzada es ancha, especialmente en elcaso de tramos largos, quizás serequiera un número antieconómico ygrande de vigas principales. Por otraparte, las vigas principales ampliamen-te separadas exigen el uso de jácenastransversales que no contribuyen asoportar los momentos de flexión longi-tudinales. De ahí que para calzadasestrechas, especialmente en tramoscortos, es poco probable que esta dis-posición resulte económica.

• Cuando una losa de hormigón seextiende entre jácenas transversales,los efectos de flexión local provocan

16

17

CO

NS

IDE

RA

CIO

NE

S D

ETA

LL

AD

AS

-PU

EM

TE

S…

200 a 230 mm

(a) Múltiple U.B.

200 a 240 mm

2,5 a 3,5 m

1,0 a 1,75 m

(b) Vigas de alma llena múltiples300 a 350 mm

1,0 a 3,3 m 4,0 a 5,5 m

(c) Vigas gemelas de alma llena con losa reforzada sobre las vigas

en el centro del vano en la pila

200 a 320 mm

1,0 a 3,3 m 6,0 a 7,0 m

(d) Vigas gemelas de alma llena con larguero200 a 230 mm

(e) Vigas gemelas de alma llena con vigas transversales

220 a 250 mm

0,9 a 1,2 m 2,5 a 3,5 m

(f) Vigas en cajón múltiple

en el centro del vano en la pila

Figura 11 Varias secciones de puentes de carretera

tensiones en la mismadirección que las ten-siones de flexión globa-les. Por consiguiente,con frecuencia los efec-tos se van añadiendo yla losa tiene que estardiseñada de forma quese tenga en cuentaesto.

• Cuando una losa dehormigón se extiendeentre jácenas transver-sales, los efectos deflexión local provocantensiones en la mismadirección que las ten-siones de flexión globa-les. Por consiguiente,con frecuencia los efec-tos se van añadiendo yla losa tiene que estardiseñada de forma quese tenga en cuentaesto.

• Los tableros de chapa deacero casi siempre esta-rán proyectados paraextenderse entre jáce-nas transversales, yaque si forman parte delala de compresión de lasvigas principales, en cualquier casorequerirán una rigidización longitudinal.

• Una alternativa a las jácenas transver-sales, para reducir el número de jáce-nas longitudinales, pero que aún permi-te que la losa se extienda transversal-mente, se muestra en la figura 11d, enla que un larguero longitudinal depequeña sección soporta la losa y a suvez es soportado desde las vigas princi-pales.

• Normalmente, en el tipo de tramos en losque la solución económica la constituyenjácenas longitudinales múltiples con unalosa que se extiende transversalmente,se descubrirá que la losa será suficientepara la distribución de momentos de fle-

xión longitudinales entre las vigas princi-pales sin arriostramiento adicional (noobstante, dicho arriostramiento puederequerirse durante el montaje para esta-bilizar el sistema).

• Generalmente, una losa de canto cons-tante es mucho más económica queuna con refuerzo, pero normalmente selimita a un tramo de aproximadamente3,5 m entre las viguetas de apoyo.

• Los perfiles laminados son significativa-mente más baratos por tonelada. Sinembargo, tienen una canto limitado, porlo que el tramo máximo para el que pue-den utilizarse es limitado.

• Los perfiles armados pueden hacersemás “eficientes” estructuralmente que

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9000 typ.Gálibo

1200 typ.

Viga transversal de sección compuesta

Gálibo

(2070 para luz > 22)

1620 1432 1970 1432

750

915 1755 typ.855

typ.

Piso constituido por chapa de acero, con viguetas transversales

610

5400

250 a 350 mm

610

310

600

5400

7890 typ.

Figura 12 Varias secciones de puentes para ferrocarril

los laminados, puesto que el materialpuede concentrarse allí donde más senecesita, es decir, en las alas, y másespecialmente, en el ala inferior cuandoel tablero forma una parte significativadel ala superior. Por lo tanto, para elmismo tramo pueden hacerse más lige-ros, pero esta ventaja puede contra-rrestarse por unos costes de fabrica-ción unitarios más altos, véase laSección 5.5.

• Los perfiles laminados son casi siemprede la Clase 1. Por ello, se puede sacarpartido del hecho de proyectarlos deforma que se tenga en cuenta todo elmomento plástico de resistencia a lahora de calcular su resistencia.

• Los perfiles armados diseñados comocompactos raramente son económicos.

• La conclusión es que los perfiles lamina-dos generalmente son económicos paratramos de hasta 25 m aproximadamentesi están libremente apoyados y de 30 mmás o menos si son continuos. Las vigasarmadas y las vigas en cajón pueden uti-lizarse para tramos de hasta 300 m.

• La construcción de vigas en cajón parapuentes de pequeña luz normalmenteno es económica, a menos que seanecesaria para un fin específico, p. ej.,cuando se necesita una gran resistenciaa la torsión, como en el caso de lospuentes curvos.

• Las jácenas longitudinales de cantovariable son más caras por toneladaque las de canto constante, pero pue-den ofrecer ahorros de peso significati-vos en tramos continuos y con frecuen-cia son más agradables desde el puntode vista estético.

• Existen argumentos a favor y en contrade la continuidad en los tramos cortos amedios. A continuación se enumeranalgunos de ellos:

Mientras que en el pasado se han utiliza-do otras formas de construcción, p. ej., atiranta-dos, para puentes de pequeña luz, normalmentese adoptan sólo en casos en los que predominanunas condiciones especiales (p. ej., puentesmóviles, graves restricciones de la altura libre,etc.) o cuando el atractivo estético innegable dedichos puentes es una cuestión importante. Laspasarelas entran dentro de esta última categoría.

5.4 Puentes de vigas de alma llenade gran luzLos puentes de vigas de alma llena de

gran luz son normalmente evoluciones de las for-mas de viga compuesta o viga en cajón descri-tas en la sección anterior. Generalmente seráncontinuos sobre dos o más tramos y con fre-cuencia estarán reforzados. Normalmente, ellímite de tramo es de aproximadamente 250metros de vano (aunque existen ejemplos demayor longitud, p. ej., río Niteroi). Un alzado típi-

19


A favor

1. Los elementos difíciles de mantener, talescomo las juntas de dilatación, pueden redu-cirse al mínimo.

2. Ventajas de canto de construcción reducida

3. Puede ser esencial para el montaje y/o lan-zamiento del puente.

4. Es útil la reducción de los momentos máxi-mos durante la colocación de hormigón.

En contra

1. Compresión en el ala inferior cerca de laspilas; por lo tanto, problemas de estabilidadpotenciales.

2. Secciones mixtas mucho más eficaces enmomentos positivos que en negativos

3. Estructura hiperestática -indeterminada-,problemas de asentamiento diferencial,retracción del hormigón y gradiente de tem-peratura.

co de un puente de vigas de almallena de este tipo se muestra en lafigura 13.

Al igual que con los tramosmás cortos, se debe estudiar minu-ciosamente la sección transversal(número de vigas principales, etc.) yla forma de tablero - hormigónarmado normal, hormigón armadoaligerado, chapa de acero rigidizadaortotrópicamente, etc. Una sección transversalmuy típica es la viga en cajón doble con jácenastransversales, como se muestra en la figura 14,

aunque cuando la calzada es relativamenteestrecha, es bastante común una única gran vigaen cajón, frecuentemente con un tablero deacero ortotrópico (figura 15).

Una forma de construcción utilizada confrecuencia en EE.UU. y Canadá, aunque no

generalizada en Europa, es la viga en cajóncompuesta abierta, en la que la losa de hormi-gón armado, colocada a pie de obra, forma el ala

superior completa (figura 16). El pro-blema principal de esta forma tienelugar durante la construcción, cuandolas partes superiores de las almasnecesitan una estabilización hastaque se coloca la losa.

5.5 ¿Coste mínimo o pesomínimo?Cualquier proyectista de puen-

tes de la actualidad debe reconocerque la relación entre los costes de

material y mano de obra ha cambiado conside-rablemente en las últimas décadas. Depen-diendo de las condiciones locales, 1 hora demano de obra cuesta ahora lo mismo que 30 a70 kg de acero. En el pasado, los costes de losmateriales eran relativamente mayores y es pro-bable que los proyectos detallados que se acer-

quen a un peso prácticamen-te mínimo fueran tambiénproyectos de coste mínimo.

En las condicionesactuales, frecuentemente seda el caso de que el proyectomás económico es aquél enel que la cantidad de manode obra en el trabajo de tallerse ha reducido al mínimo gra-cias a un proyecto minuciosoy, cuando es necesario, acosta del peso del material.La figura 17 muestra dos

20

< alrededor de 250 m

Figura 13 Alzado tipo de un puente de viga de alma llena de gran luz

Conglomerado asfáltico recubriendo el tablero de plancha de acero rigidizada

Figura 15 Sección tipo de un puente de gran luz, de una sola viga en cajón

Asfalto recubriendo el tablero de hormigón

Viga en cajón

Jácena transversal

Figura 14 Sección tipo de un puente ancho de doble viga en cajón, de gran luz

ejemplos en los que un proyecto económicomoderno es considerablemente más sencillo quelos proyectos detallados anteriores. En el ejem-plo de viga armada que se muestra, la jácenarigidizada sería 230 kgmás ligera si tuviera unalongitud de 10 m, perose tardaría al menos 3/4de hora en colocar ysoldar cada uno de lossiete rigidizadores, invir-tiendo un tiempo totalde 51/4 horas. De estaforma, la jácena máspesada es más barataen todos los talleres defabricación en los que unahora de mano de obra cuestamás que 230

÷ 51/4 = 44 kgde acero.

5.6 Proyecto de construcciónUna planificación para

un mínimo de trabajo en tallerpuede influir de forma directaen la elección de la formaestructural. La tabla 1 indicalas contribuciones al costetotal de estos tipos diferentesde vigas de puentes, toman-do el coste total de la cons-trucción de una viga com-puesta como 100 unidades.

La influencia del contenido del trabajo detaller se puede ver inmediatamente. Claramente,un puente de perfiles laminados aún puedeconstituir la solución más barata, aun cuando essignificativamente más pesado que una alterna-tiva de una viga en cajón.

La comparación económica minuciosavariará considerablemente con las condicioneslocales, pero los fabricantes locales generalmen-te estarán demasiado dispuestos a aconsejarsobre la economía relativa de las diferentes for-mas de construcción.

El trabajo de taller puede facilitarse engran medida por un diseño de detalles que maxi-mice la repetición y que además haga más fácilla construcción del puente. Por ejemplo, la incor-

21


t = 12 mm t = 15 mm

(i) Diseño tradicional con una gran elaboración

(ii) Diseño actual con el mínimo de elaboración

Figura 17 Cambios para un diseño más económico

Conectadores

Asfalto recubriendo el hormigón

Figura 16 Puente de una viga en cajón compuesta descu-bierta con el tablero como ala superior

Tipo de puente Perfil laminado Viga compuesta Viga en cajón

Acero 30 30 30Trabajo de taller 30 50 70Protección frente 10 10 15a la corrosiónMontaje 10 10 15

TOTAL 80 100 130

Conectores

poración de uniones atornilladas para algunasuniones introduce una tolerancia en la estructuraque no está disponible en la construcción total-mente soldada. Colocadas cuidadosamente,pueden minimizar el uso de caras soldaduras a

tope de penetración total y pueden también redu-cir el riesgo de desgarramiento laminar. Una vezmás, generalmente a los fabricantes les gustaaconsejar a los proyectistas sobre dichas cues-tiones.

22

6. OBSERVACIONES FINALES

La gama de tipos de puentes y métodos demontaje que se le presentan a un proyectista esinmensa y a veces desalentadora. No hay dudade que la tarea más difícil que va a tener queafrontar un ingeniero inexperto es la de obtener lamejor elección conceptual de entre las alternati-vas disponibles. Con esta lección se ha intentado,a grandes rasgos, ofrecer algún tipo de orienta-ción sobre qué tipo es apropiado para un objetivoy obra en particular, pero es necesario señalarque a menudo se tendrán que probar varios para

decidir cuál es el mejor. Por supuesto, algunasveces quizás sea necesario obtener licitacionespara dos o más alternativas, puesto que estarántan próximas que el proyectista no puede, conseguridad, decidir entre ellas, sino que tiene quedepender de un fabricante para hacerlo. En efec-to, diferentes fabricantes pueden poner los pro-yectos en órdenes de coste diferentes.

Al menos una comprensión de los ele-mentos básicos debería evitar los problemas quesurgen al intentar construir un proyecto total-mente inadecuado.

23

OBSERVACIONES FINALES

7. RESUMEN FINAL

• “Si el concepto es bueno, el proyecto serábueno” es al menos tan cierto para los puentescomo lo es para otros tipos de estructuras.

• La elección conceptual inicial debería teneren cuenta:

• requisitos de espacio libre y la necesidad deevitar daños por impactos

• tipo de carga

• topografía y geología de la obra

• posibles métodos de montaje

• técnicas y materiales locales

• inspección y mantenimiento futuros

• aspectos estéticos y ambientales

• En el desarrollo del proyecto se necesita tomarlas decisiones correctas en cuanto a:

• estructura del tablero

• plan de conjunto, es decir, tramos y disposi-ciones estructurales

• construcción continua o simple

• proporciones, es decir, relaciones detramo/canto

• reducción a un mínimo de la mano de obrade trabajo de taller

• proyecto de facilidad de construcción

8. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

1. B.H.V. Topping (ed) Developments inStructural Engineering. Proc Forth Rail BridgeCentenary Conference 1990, Spon, London.

2. ECCS Pub 70 Symposium International,Ponts Metalliques, Federation National duBatiment, Paris, France, 29 and 30 April 1992.

3. ECCS Pub 57 International Symposium,Building In Steel - The Way Ahead, Stratford-Upon-Avon 1989.

4. Chlading, E et al (ed), Bridges on the DanubeProc. International Conference Vienna,Bratislava - Budapest, Technical University ofBudapest 1992.

5. Ivangi, M (ed), Bridges on the Danube,Catalogue, Technical University of Budapest1993.

24


Lección 18.2: Acciones en Puentes

25

27

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Identificar las principales acciones en lasestructuras de los puentes y describir cómo setienen en cuenta en el proyecto.


Ninguno.

LECCIONES AFINES

Lección 2.2: Principios de Diseño

Lección 2.3: Bases para la determina-ción de cargas

Lección 2.4: Historia del Hierro y elAcero en Estructuras

Las demás lecciones 18.

RESUMEN

Esta lección comienza explicando losmotivos por los que las acciones en las estruc-turas de los puentes se tienen en cuenta conuna gran precisión. Identifica las principalesacciones para puentes de carreteras y de ferro-carriles. Aborda los medios mediante los quese combinan las consideraciones de las accio-nes individuales para garantizar que se alcan-za un diseño económico y una fiabilidad ade-cuada.

1. INTRODUCCIÓN

Se suele dedicar una atención muchomayor a la valoración de las cargas en los puen-tes que en otros muchos otros tipos de estructu-ras. Existen varias razones para esta mayor pre-cisión:

• Los puentes, estructuras especialmentemás grandes, constituyen inversionesimportantes de fondos públicos para lasque se requiere un gran nivel de seguridad.

• Las cargas pueden determinarse conmayor precisión que con otros muchostipos de estructuras.

• La distribución de las cargas está gene-ralmente bien definida: algunas estructu-ras de puentes son realmente isostáticas.

• La resistencia, estática o a la fatiga, escon más frecuencia la condición dediseño predominante.

• La estructura primaria constituye unaproporción mucho más alta (general-

mente > 80%) de la inversión total queen el caso, por ejemplo, de un edificiocomercial de varios pisos (frecuente-mente < 20%).

En el Eurocódigo for the Basis of Designand Actions on Structures [1], identifica las car-gas, y otras acciones que es necesario tener encuenta, en el diseño de puentes y define susvalores característicos. Las Partes 2 delEurocódigo 3[2] y Eurocódigo 4[3] proporcionaráuna orientación detallada para el diseño depuentes y estructuras laminadas. Las combina-ciones de acciones que es necesario tener encuenta se definirán en estos documentos y seofrecerán coeficientes parciales de seguridadapropiados [4].

Esta lección se ha redactado en términosgenerales. Se ofrecen ejemplos representativosde métodos para definir acciones en puentes,con el fin de ilustrar los principios generales yademás proporcionar indicaciones de órdenesde magnitudes.

28

29

INT

RO

DU

CC

IÓN

Pretil (C. P. S.)

Bordillo prefabricado (C. P. S.)

Espesor de mortero (C. P. S.)

Superficie de abrasión (C. P. S.)

Alma de chapaArriostramiento

Viga en cajón

0,02

Alma de chapa

Viga del tablero

Tablero de chapa

Figura 1 Carga permanente y carga permanente superpuesta (C.P.S.)

2. HIPÓTESIS DE CARGAS DE CARRETERAS

2.1 Carga Permanente

La carga permanente en lospuentes incluye el peso de los mate-riales estructurales (peso propio) ytambién la denominada carga perma-nente superpuesta (revestimiento,acabados, etc.) (figura 1).

El peso del revestimiento gene-ralmente experimenta una gran varia-ción durante el tiempo de vida de un puente y, portanto, se debe tener un cuidado especial a la horade calcular su valor. Se suele adoptar un cálculomoderado del canto inicial para determinar lacarga característica y, a continuación, aplicar uncoeficiente parcial alto.

2.2 Cargas debidas al tráfico

Las cargas debidas al tráfico en los table-ros de puentes se utilizan para simular los efec-tos de las cargas de vehículos y/o peatones.Algunas cargas debidas al tráfico representan elpeso de los vehículos reales que se pueden des-plazar sobre los puentes; otros valores y distri-buciones se eligen de tal forma que produzcanlos esfuerzos máximos en estructuras de puen-tes, similares a los producidos por los vehículosreales.

En los reglamentos nacionales europeos seespecifican cuatro tipos de cargas:

• Cargas repartidas uniformes

• Cargas lineales

• Cargas simples por rueda

• Cargas de camiones

La figura 2 muestra la combinación de cargalineal y carga repartida uniformemente en unaestructura de 3 tramos que proporciona el valormás elevado de momento en el centro del vano.

Generalmente, los efectos de los impac-tos (efectos dinámicos) de las cargas debidas altráfico se especifican en los reglamentos. Parapuentes de carreteras, a menudo se utiliza unaumento de hasta el 25% de la carga estática,con el fin de tener en cuenta el impacto.

a) Carga repartida uni-forme (figura 3).

Esta carga simula losefectos de los vehículos auto-rizados normales. En algunosreglamentos nacionales suvalor es constante e indepen-diente de la superficie concarga. En otros reglamentos,el valor de la carga disminuyecon la superficie ocupada conla carga (véase, por ejemplo,la figura 4). La carga repartida

30

Carga lineal

A

A

Figura 2 Ubicación de la carga lineal y carga repartida que produce elmayor momento en el centro del tramo

Figura 3 Carga uniformemente repartida en la calzada

se aplica sobre los carriles del tráfico y sobrelos tramos que ofrecen los valores extremosde la tensión resultante (o esfuerzo) que seestá estudiando. Puede ser continua o discon-tinua.

b) Carga lineal

Generalmente, esta carga (figura 5) serelaciona con la carga repartida uniforme. Norepresenta una carga de un solo eje, sino queconstituye un dispositivo para garantizar que,junto con la carga repartida uniforme, se pro-ducen el cizallamiento vertical y los momentoslongitudinales que pueden tener lugar en loselementos reales de los puentes.

c) Carga por rueda única

Algunos reglamentos nacionalesespecifican la aplicación de una cargaúnica por rueda, situada en cualquierparte de la calzada, con una superficiede contacto circular o rectangular (figu-ra 6).

d) Cargas de camiones

Esta carga tiene la finalidad derepresentar los efectos extremos de unúnico vehículo pesado. En algunos paí-ses consiste en un número especificadode disposiciones y cargas por rueda(figura 7). Otros reglamentos indicansolamente las distancias entre ejes, laseparación de las ruedas en cada eje yel número mínimo de ejes.

2.3 Fuerzas de arranque longitudinalesEstas fuerzas (figura 8) se derivan de la

tracción o del frenado de los vehículos y se apli-

31

HIPÓTESIS DE CARGA DE CARRETERAS

Carga por metro de calzada (kN)

220

190

160

130

100

70

40

100 40 80 120 160 200 240 320 360 400

Longitud cargada (metros)

Nota: La carga HA consiste en una carga distribuida uniformemente, expresada en kN por metro lineal de calzada, y una carga lineal de 120 kN aplicada transversalmente a la calzada

280

Figura 4 Variación de la carga HA en función de la longitud cargada(Ministerio de Transporte del Reino Unido)

(a)

(b)

Figura 6 Cargas por rueda única

Figura 5 Carga lineal

can a la superficie de la carretera, endirección paralela a los carriles del tráfi-co.

2.4 Fuerzas centrífugasLos puentes curvos están sujetos

a fuerzas centrífugas ejercidas por losvehículos que se desplazan sobre ellos.Estas fuerzas se relacionan con las car-gas debidas al tráfico mediante un coe-ficiente,

α, cuyo valor depende del radiode la curva, R, y de la velocidad de régi-men, v, mediante:

α = CV2/r

donde

C es una constante

Algunos reglamentos tienen encuenta una carga radial repartida unifor-

me y otros la dividen en cargas concentradas(figura 9).

2.5 Aceras y Pretiles

Muchos puentes de carreteras, enáreas urbanas y no urbanas, tienen aceraspara el tránsito peatonal y/o carriles para bici-cletas. En estas áreas, generalmente se tieneen cuenta una carga repartida uniforme, figu-ra 10. Algunos reglamentos indican tambiénque se debería considerar una carga porrueda aplicada sobre las aceras.

Los pretiles de las aceras y carrilespara bicicletas que están protegidas del tráfi-co de las carreteras mediante una barreraefectiva se han diseñado para resistir unafuerza repartida horizontal aplicada a unaaltura de 1 m sobre la acera. El valor nominalde esta fuerza es de aproximadamente 1,5kN/m, figura 11.

32

Eje del puente

780 kN vehículo

390 kN vehículo

1,5 m

1,5 m

130 kN 130 kN

130 kN 130 kN

130 kN 130 kN

0,6 m

0,2 m 65 kN 65 kN

65 kN 65 kN

65 kN 65 kN

2 m 2 m

3 m 3 m

Figura 7 Cargas por rueda concentradas sobre el tablero delpuente, según las especificaciones de carga delReglamento de Carreteras Danés

Carga bilineal longitudinal

o

Carga uniforme longitudinal

Figura 8 Fuerzas de arranque longitudinales

Cuando las acerasy los carriles para bicicle-tas no están separadasdel tráfico de las carrete-ras mediante una barreraefectiva, las cargas pre-vistas deben contener eltráfico en el caso de unaccidente. Estas cargasson considerablementemayores e incluyen unacarga concentrada alter-nativa.

33

HIPÓTESIS DE CARGA DE CARRETERAS

Figura 9 Fuerzas centrífugas

Figura 10 Carga repartida de las aceras

1,00

Figura 11 Carga repartida en el pretil

3. HIPÓTESIS DE CARGA DE FERROCARRILES

3.1 Carga Permanente

Las cargas permanentes superpuestasen los puentes de ferrocarriles generalmenteincluyen los raíles, las traviesas, el balasto (ocualquier otro medio de transmisión de las car-gas de los trenes a los elementos estructurales)y el sistema de drenaje (figura 12).

3.2 Cargas debidas a los trenes

Por lo general, las cargas debidas a los tre-nes consisten endiversas cargas con-centradas precedi-das y seguidas deuna carga repartidau n i fo r m e m e n t e .Ambas cargas sedividen equitativa-mente entre los dosraíles (figura 13).

Algunos regla-mentos nacionales especifican los criterios que seutilizarán para el reparto de las cargas concentra-das por parte de las traviesas adyacentes y la dis-persión a través del balasto al sistema resistente(figura 14).

3.3 Efectos dinámicos (Impacto)

Las cargas debidas a los trenes especifica-das en los reglamentos son cargas estáticas equi-valentes, que deben multiplicarse por los coefi-

cientes dinámicos apro-piados para tener encuenta el impacto, laoscilación y otros efectosdinámicos, incluidos losproducidos por las irre-gularidades de la vía ylas ruedas.

Los valores delos coeficientes dinámi-cos dependen del tipode tablero (con balasto otablero abierto) y de larigidez vertical del ele-mento que se está anali-

34

Vía Puente

Resistencia máx. entre los ejes

Placa de balasto

Balasto

Bordillo de hormigón

Raíl

Traviesas

CL CL

Figura 12 Sección tipo de un puente de ferrocarril contablero inferior (vía curvada)

80 kN/m 80 kN/m250 kN 250 kN 250 kN 250 kN

Sin límite Sin límite0,80 0,801,60 1,60 1,60

Figura 13 Típica carga de tren

Traviesas Q

RuedaRaíl

Balasto

Dispersión de las cargas concentradas

αQ

Estructura de acero

(l-α) Q

2

(l-α) Q

2

Figura 14 Dispersión de las cargas por rueda

zando. Para los puentes de tablero abierto, losvalores de los coeficientes dinámicos son mayo-res que para aquéllos de tableros con balasto.

La rigidez vertical se examina adoptandofórmulas en las que el coeficiente dinámico estáen función de la longitud, L, de la línea deinfluencia de la flecha del elemento que se estáestudiando. Algunos reglamentos utilizan fórmu-las diferentes para coeficientes de impacto rela-cionados con el momento de flexión y el cizalla-miento vertical.

3.4 Fuerzas de arranque longitudinalesEstas fuerzas, que constituyen un

porcentaje de las cargas debidas a lostrenes, se considera que actúan a nivel delos raíles, en una dirección paralela a lasvías (figura 15).

3.5 Fuerzas centrífugas

La carga centrífuga nominal se apli-ca en correspondencia con las cargas

debidas a los trenes y actúa radialmente auna altura de 1,8 m sobre el nivel de los raí-les. Su valor se obtiene multiplicando lascargas debidas a los trenes por un coefi-ciente, α = cv2/r (como en 2.4), que es pro-porcional al cuadrado de la velocidad másgrande, v, prevista en la curva, y aumentacon la inversa del radio, r, de curvatura.

3.6 Fuerzas transversalesdebidas a las cargasSe toma una única carga nominal,

que actúe horizontalmente en cualquierdirección perpendicular a la vía, en la partesuperior del rail, para proporcionar el efecto late-ral del movimiento de lazo de equipos tales comolocomotoras (figura 16).

Esta fuerza, generalmente de un valoraproximado de 100 kN, debe aplicarse en unpunto del tramo, para que produzca el efectomáximo en el elemento que se está estudiando.

Deben examinarse los efectos verticalesde la fuerza horizontal en elementos secundariostales como traviesas.

35

HIPÓTESIS DE CARGA DE FERROCARRILES

Figura 15 Fuerzas de arranque longitudinales

H

Figura 16 Fuerza horizontal debida al movimiento del lazo

4. OTRAS CARGAS EN LOS PUENTES

4.1 Cargas del viento

Las acciones del viento en un puentedependen de las condiciones de la ubicación yde las características geométricas del puente.Las presiones máximas se deben a ráfagas queprovocan fluctuaciones locales y transitoriassobre la presión media del viento. Las presionesde las ráfagas, en el cálculo, se derivan de lavelocidad del viento estipulada, definida para unperíodo de retorno especificado.

Se puede utilizar una presión del vientoreducida en los cálculos del montaje, para teneren cuenta el período mucho más corto duranteel que corre riesgo la estructura montada alefecto.

La carga del viento de régimen, normal-mente considerada como horizontal, y que actúaen los centros de gravedad de las áreas expues-tas, viene determinada por

ó

donde:

ρ es la densidad del aire (1,226 kg/m3 en condi-ciones normales)

Vc es la velocidad de ráfagas de cálculo

At es el área sólida en el alzado normal proyec-tado

CD es el coeficiente de retardo (definido en losreglamentos)

es la presión dinámica

El área At debe incluir el área expuestadel tráfico cuando corresponda. Los coeficientesde retardo deben considerarse de acuerdo conesto.

El área expuesta del tráfico en los puen-tes posee la longitud correspondiente a los efec-tos máximos y, en general, una altura de 2,50 msobre la calzada en puentes de carreteras y de3,70 m sobre el nivel de los raíles en puentes deferrocarriles (figura 17).

4.2 Efectos térmicos en las estructuras de los puentes

Las fluctuaciones diarias y estacionalesde la temperatura del aire provocan dos tiposde acciones térmicas en las estructuras de lospuentes, como se menciona en los reglamen-tos:

a) Cambios en la temperatura global delpuente (acciones térmicas uniformes)

b) Diferencias en la temperatura (accio-nes térmicas diferenciales) a travésde la altura de la superestructura(figura 18).

q v= 12 0

2ρ

P q A Ct t D=

P v A Ct t D= 12 0

2ρ

36

Altura Tren

Figura 17 Altura del área expuesta a la acción del viento

37

OT

RA

S C

AR

GA

S E

N L

OS

PU

EN

TE

S

Tablero de acero sobre viga en cajón de acero

h

Diferencia de temperaturas positiva

h

h

h1 h1

h1

h2

h1

h2

h1

h2

T1 T1

T2

T1 T1

T2

T2

T3

Diferencia de temperaturas inversa

Diferencia de temperaturas positiva

Diferencia de temperaturas inversa

0

0

0

0

0

Tablero de hormigón sobre viga compuesta

Figura 18 Ejemplos de diferencias en las temperaturas

El coeficiente de dilatación térmica de lasestructuras metálicas puede considerarse como12 x 10-6 °C

Estos dos tipos de efectos térmicosproducen diferentes tipos de respuestas en unpuente. El cambio global de la temperaturaprovoca cambios globales de las dimensionesen una estructura sin restricciones (o lo quese denomina tensiones térmicas si estos cam-bios potenciales de dimensiones son resisti-dos por las estructuras de apoyo). General-mente, se permite que la estructura se expandacon unas restricciones mínimas gracias alsuministro de juntas de dilatación y apoyosdeslizantes.

La distribución no lineal de la temperatu-ra, en la figura 18, da lugar a tensiones autoe-quilibradoras en todas las secciones transversa-les, incluso en una estructura sin arriostramientos.Una forma de comprender estas tensiones esconsiderar que la estructura inicialmente estátotalmente arriostrada y sujeta a estas tempera-turas no lineales, como se muestra en la figura19(i). Entonces se libera progresivamente hastaofrecer la distribución final de las tensiones de lafigura 19(i) d). Hay que señalar que las liberacio-nes han dado lugar a deformación axial y curva-tura.

Si la estructura está libremente apoyadaen apoyos deslizantes, se puede expandir y cur-var como se muestra en la figura 19(i)c). No obs-tante, un puente continuo no podrá curvarselibremente y desarrollará momentos "térmicos"secundarios, Mt, y reacciones que se muestranen la figura 19(ii)b).

4.3 Retracción del hormigón

En las vigas mixtas debe tenerse en cuen-ta el efecto de la retracción del hormigón.

En principio, la retracción proporciona unatensión independiente de la deformación del hor-migón. Por lo tanto, equivale al efecto de unatemperatura diferencial entre el hormigón y elacero.

Por lo general, los efectos de la retracciónsólo se tienen en cuenta cuando el efecto seañade a los efectos de las demás acciones.

4.4 Asientos de la cimentación

Durante el diseño de la superestructuradeben tenerse en cuenta los asientos de lacimentación determinados por cálculos geotécni-cos.

Para las vigas continuas, los asientosdecisivos son asientos verticales diferenciales yrotaciones sobre un eje paralelo al eje del puen-te.

Para puentes anclados a tierra (puentesen arco, puentes de celosía y puentes colgan-tes), deben tenerse en cuenta los asientos hori-zontales.

Cuando se cuenta con asientos más gran-des, quizás sea necesario diseñar las estructu-ras de apoyo de forma que se puedan realizarajustes, p. ej., elevando la superestructura delpuente mediante gatos e introduciendo calzos.En este caso, los cálculos deben indicar cuándose tienen que realizar los ajustes.

4.5 Acciones sísmicas

En los países europeos situados en zonasde actividad sísmica, p. ej., en el sur de Europa,las acciones de los terremotos deben tenerse encuenta en el diseño de los puentes.

El comportamiento de una estructuradurante un terremoto depende de su comporta-miento dinámico, concretamente de sus modos yfrecuencias de vibración propia y de sus coefi-cientes de amortiguamiento.

Cuando el puente presenta un comporta-miento dinámico simple, por ejemplo, cuando laprimera frecuencia de vibración es mucho másbaja que las demás, la acción sísmica puedereducirse a una fuerza estática equivalente(véase la figura 20).

38

39

OTRAS CARGAS EN LOS PUENTES

t c c c

c

T

T(a)

(a)

(b)

(b)

(c) (d)

Línea

neutra

a) Distribución no lineal de la temperatura b) Tensiones térmicas equivalentes, en caso de restricción completa de los efectos térmicos c) Distribución de las tensiones térmicas, si se quita la restricción axial d) Distribución de las tensiones térmicas, si se quita también la restricción de curvatura

(i) Tensiones térmicas primarias

R R

R R

Mt

a) Perfil curvado de una viga sobre 2 apoyos b) Momentos secundarios y reacciones en una viga continua sobre cuatro apoyos

(ii) Efectos térmicos secundarios

Figura 19 Efectos estructurales de la distribución no lineal de la temperatura

4.6 Fuerzas debidas a las corrientes de agua o al hielo

Todas las pilas y otras partes del puentedeben diseñarse de forma que resistan las fuer-zas producidas por el agua que fluye, el hielo flo-tante o el impulso de la corriente.

4.7 Colisiones

En las estructuras en las que los elementossustentadores esenciales pueden estar sujetos aimpactos por parte de vehículos, barcos o aviones,

las consecuencias deben consi-derarse como casos de cargasaccidentales, a menos que sevalore que el riesgo de dichascolisiones es tan pequeño quepuede ignorarse.

En muchos casos, esnecesario permitir una destruc-ción o deterioro parciales delelemento que recibe directa-mente el impacto. Entonces,este elemento debe repararsedespués de la colisión. No obs-tante, se debe demostrar que ladestrucción parcial de un únicoelemento no provocará uncolapso total de la estructuracompleta.

Para reducir las conse-cuencias de las colisiones,puede ser necesario limitar losmovimientos de las estructurasde apoyo móviles, de formaque sólo puedan tener lugarlibremente los movimientosdebidos a los efectos de la tem-peratura.

4.8 Rozamiento en las estructurasde apoyo

Debe comprobarse si el inevitable roza-miento en las estructuras de apoyo puede pro-ducir fuerzas o momentos que deben tenerse encuenta en el diseño de los elementos estructura-les.

Los modernos apoyos deslizantes secaracterizan por un coeficiente de rozamiento deaproximadamente 0,03 si las superficies desli-zantes están absolutamente limpias. Sin embar-go, para tener en cuenta cierto deterioro de lassuperficies deslizantes, así como las toleranciasen la colocación de las estructuras de apoyo, serecomienda que el proyecto se base en un coefi-ciente de rozamiento de 0,05.

40

Tablero - La mayor parte de la masa móvil - M

Soporte móvil

Soporte móvil

Soportes fijos

Soportes fijos

Pilares - pequeña masa móvil

Alzado

Fuerzas estáticas equivalentes

Sección transversal

k = rigidez de los pilares

M

Modelo dinámico de puente

Figura 20 Ejemplo de puente con comportamiento dinámico simple

41

OTRAS CARGAS EN LOS PUENTES

Carga de la sección central apoyada en las secciones en voladizo

Caso 1 (Montaje en acero)

Tramo 1

Pila 1

Tramo 2

Pila 2

Tramo 3

Peso propio de la viga del tramo lateral

Caso 2 (Montaje en acero) Peso propio de la viga del tramo central

Caso 3 (Vertido de hormigón: Tramo 1)

Caso 4 (Vertido de hormigón: Tramo 3. Encofrado recuperable: Tramo 1)

Caso 5 (Vertido de hormigón: Tramo 2. Encofrado recuperable: Tramo 3)

Caso 6 (Vertido de hormigón: Pila 1. Encofrado recuperable: Tramo 2)

Caso 7 (Vertido de hormigón: Pila 2. Encofrado recuperable: Pila 1)

Sección mixta fisurada

Caso 8 (Carga muerta superpuesta. Encofrado recuperable: Pila 2)

Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3

Estribo EstriboPila 1 Pila 2

CL CL CL CL

Sección mixta

Figura 21 Casos de carga de montaje de un puente de carretera mixto en tres tramos

En una viga continua con una estructura deapoyo fijo en el centro y estructuras de apoyomovibles longitudinalmente a cada lado, la dilata-ción (o contracción) de la viga provoca fuerzas derozamiento simétricas. Estas fuerzas están enequilibrio horizontal si se asume un coeficienteconstante de rozamiento y normalmente dan comoresultado esfuerzos axiales moderados en lasvigas principales. No obstante, para tener en cuen-ta la incertidumbre de la magnitud de las fuerzasde rozamiento, quizás sea razonable asumir unrozamiento completo en una parte de la estructurade apoyo fijo y medio rozamiento en la otra parte.

4.9 Cargas de construcción y montajeLas cargas de montaje son especialmen-

te importantes para el diseño de puentes mixtosy de gran luz.

En los puentes de gran luz, los esfuerzosexistentes cuando se finaliza la construcción seregulan frecuentemente mediante movimientosde las estructuras de apoyo o, en el caso de lospuentes atirantados y los puentes colgantes, pormedio del ajuste de los cables.

En los puentes mixtos, el encofrado deltablero generalmente está sustentado únicamen-te por la estructura de acero y no se retira hastadespués de que el tablero pasa a ser mixto. Lastensiones producidas en el tablero mixto por laretirada del encofrado pueden ser lo bastantepequeñas como para ignorarse, pero, en princi-pio, constituyen una forma de pretensado per-manente, que puede tenerse en cuenta en lascombinaciones de cargas.

42

5. CASOS DE CARGA CRÍTICAPARA EL CÁLCULO

5.1 Combinaciones de cargasEl cálculo de estado límite es probabilísti-

co, y se determinan los coeficientes de pondera-ción para garantizar que la probabilidad de supe-ración de un conjunto particular de acciones decálculo (p.ej., coeficientes parciales de seguridadde ocasiones de acciones características) essatisfactoriamente pequeña. La probabilidad deque dos acciones diferentes (p.ej., la limitaciónde la carga no permanente y la limitación de lacarga del viento), tengan lugar simultáneamente,es claramente menor que la de los hechos indi-viduales. Por lo tanto, es conveniente obtener lamisma fiabilidad para diferentes combinacionesde acciones mediante la adopción de diferentescoeficientes parciales de seguridad en los com-ponentes particulares. La siguiente tabla 1muestra los diferentes coeficientes que se utili-zan en el Reino Unido para dos combinacionesdiferentes de acciones (cargas). La Combinación1 es carga permanente más carga no perma-nente. La Combinación 2 es carga permanentemás carga del viento más carga no permanente.

5.2 Concepción del proceso de construcción

Para puentes sencillos que se construyena partir de perfiles de Clase 1 o Clase 2, no esnecesario tener en cuenta el aumento detalladode las tensiones en el puente a medida que seconstruye. Dichas estructuras poseen suficienteductilidad para redistribuir las tensiones dentrode la sección transversal. Por lo tanto, sólo esnecesario comprobar la idoneidad de la estructu-ra en cada etapa de la construcción y asegurar-se de que la estructura, una vez finalizada,puede soportar acciones tanto fijas como varia-bles, es decir, cargas permanentes más cargasno permanentes.

Generalmente, las estructuras más gran-des se construyen a partir de perfiles de Clase 3o 4 y no es seguro suponer que pueda tener lugaruna redistribución de las tensiones de construc-ción. Por consiguiente, es necesario realizar concierto detalle la previsión del aumento de las ten-siones en todo el proceso de construcción. Lafigura 21 muestra la secuencia de un típico puen-te de carretera mixto y de tres tramos. Cada casose analiza elásticamente y las tensiones sesuman en las secciones transversales críticas.

5.3 Accionesvariables en la estruc-tura finalizada

Se requiere unacapacidad técnica y unesfuerzo de cálculo consi-derables para determinarlos efectos de las accio-nes variables críticas entodas las secciones trans-versales del puente.

El análisis tieneque determinar los valo-res predominantes en lossiguientes efectos globa-les:

43

CASOS DE CARGA CRÍTICA PARA EL CÁLCULO

Tabla 1 Combinación de Acciones (Cargas)(Fuente: BS 5400: Parte 2)

γfLEn combinación

de estado límiteCarga

1 2

Permanente 1,05 1,05Permanente Superpuesta 1,75 1,75

Del Vientocon Permanente + Permanente Superpuesta 1,40con Permanente + Permanente Superpuesta + No Permanente 1,10

Carga no Permanente VerticalHA únicamente 1,50 1,25HA con HB o HB únicamente 1,30 1,10

• momentos longitudinales positivos den-tro del tramo

• momentos longitudinales negativos enlos apoyos internos

• mayores momentos longitudinales enlos cambios de la sección transversal delas jácenas

• cizallamientos máximos en las estructu-ras de apoyo

• cizallamientos máximos en los cambiosde resistencia del alma

• reacciones máximas

• combinaciones críticas de momento ycizallamiento (generalmente en lasestructuras de apoyo)

• torsiones máximas (generalmente muycríticas para secciones en cajón)

• momentos, cizallamientos y torsionesmáximas en los travesaños, arriostra-miento transversal y losas

Además, es necesario determinar losvalores predominantes en los momentos, cizalla-mientos y torsiones de carga sobre la losa dehormigón o el tablero ortótropo.

Los métodos nacionales de este análisisvarían considerablemente, al menos, en parte, enrespuesta a las variaciones en las especificacio-nes nacionales sobre cargas. No obstante, esposible identificar algunas tendencias generales.

• la mayor parte del análisis global selleva a cabo mediante el análisis delemparrillado.

• aún se utilizan las líneas de influencia; aveces sólo para identificar las ubicacio-nes críticas para vehículos pesados ycargas lineales y algunas veces para ladeterminación de valores numéricos.

Pueden desarrollarse mediante el usode coeficientes de distribución transver-sal o se pueden determinar por mediodel análisis del emparrillado

• la mayoría de los países especificanuno o dos tipos de vehículos pesados,generalmente con disposiciones defini-das sobre ejes y ruedas. Rigen los efec-tos globales de puentes de pequeña ymediana luz. Se aplican en posicionesespecíficas de la estructura. Estas posi-ciones pueden estar determinadas poruna inspección general o por el examende las líneas de influencia. Algunos pro-gramas informáticos actuales poseenprestaciones de escalonamiento auto-mático de carga, tanto a lo largo comode un lado a otro del puente, con rutinasde búsqueda para determinar los valo-res máximos y mínimos.

• las cargas lineales se aplican en ubica-ciones específicas, generalmente en elcentro del vano o cerca de las estructu-ras de apoyo.

• las cargas repartidas se aplican entodas las longitudes de las líneas deinfluencia positivas o negativas. Porejemplo, los tramos contiguos recibencarga para determinar los momentospredominantes en las estructuras deapoyo, se carga sólo un tramo paradeterminar el momento predominanteen el centro del vano.

• las rutinas de software de suma auto-mática se generalizan cada vez máspara determinar los valores predomi-nantes en los efectos de las acciones.

• el análisis local de losas y tableros selleva a cabo por separado. Esta cues-tión se aborda en la Lección 18.3.

44

6. RESUMEN FINAL• Las cargas en los puentes se tratan con una

mayor precisión que en muchos otros tipos deestructuras.

• Las cargas de puentes de carreteras especi-ficadas comprenden las cargas de vehículospesados, las cargas repartidas uniformemen-te, las cargas lineales y las cargas por ruedaúnica.

• Las cargas de ferrocarriles especificadascomprenden las cargas concentradas, prece-didas y seguidas de cargas repartidas unifor-memente.

• Generalmente, las cargas cuasiestáticasincorporan efectos dinámicos.

• También es necesario tener en cuenta lasacciones del viento, térmicas, sísmicas y deconstrucción.

• Se utilizan diferentes coeficientes parcialesde seguridad para distintas combinacionesde acciones, para alcanzar la mayor fiabilidadglobal, de forma económica.

• En la mayoría de los puentes, es necesariosumar los efectos del proceso de construc-ción.

• Es necesario considerar detenidamente unamplio conjunto de efectos de acciones varia-bles, con el fin de determinar los momentos,cizallamientos y torsiones predominantes enlas secciones transversales críticas.

7. BIBLIOGRAFÍA

[1] Eurocode 1: "Basis or Design of Actions onStructures", CEN

[2] Eurocode 3: "Design of Steel Structures"Part. 2: Bridges and Plated Structures, CEN

[3] Eurocode 4: "Design of Composite Steel andConcrete Structures" Part. 2: Bridges, CEN

[4] Sanpaolesi, L., Sedlacek, G., Merzenich,G.M. "The Development of European Codes andSupporting Standard for the Design of Bridges,".ECCS 2nd International Symposium on SteelBridges, Paris, April 1992.

45

RESUMEN FINAL


Lección 18.3: Tableros de Puentes

47

49

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Introducir los tipos de tableros utilizadosen puentes de carreteras y ferrocarriles y susmétodos de diseño y construcción.



LECCIONES AFINES

Lección 18.4: Puentes de Vigas Armadasy Laminadas

Lección 18.5: Puentes de Celosías

Lección 18.6: Puentes de Vigas Cajón

Lección 18.7: Puentes Arco

Lección 18.8: Puentes Atirantados

Lección 18.9: Puentes Colgantes

Lección 18.10: Equipamiento del Puente(Apoyo, Pretiles, etc.)

RESUMEN

El tráfico del puente se hace pasar directa-mente sobre el tablero del puente. En los puentesde carreteras, la losa de hormigón constituye untipo de tablero muy frecuente y su utilidad aumen-ta aún más cuando se utilizan métodos de cons-trucción mixtos. Los nuevos puentes que hanadoptado el sistema integral de tablero y ala deacero han rigidizado el tablero mediante rigidiza-dores longitudinales, que constan o bien de barrasverticales simples o bien de perfiles en U de granresistencia a la torsión. Estos rigidizadores longi-tudinales funcionan en parte como largueros y enparte como rigidizadores de chapa. En los puen-tes de ferrocarriles, la vía férrea se lleva sobretirantes transversales, que pueden estar directa-mente sobre las jácenas o sobre traviesas quedescansan sobre balasto. El balasto contribuye areducir el ruido y la vibración y permite un mante-nimiento continuo de la vía férrea.

1. INTRODUCCIÓN

La función principal de un tablero de puentees proporcionar apoyo a las cargas verticales loca-les (procedentes del tráfico de las carreteras, de losferrocarriles o de los peatones) y transmitir estascargas a la superestructura primaria del puente(figura 1(1)). Como resultado de su función, eltablero será continuo a lo ancho del tramo delpuente y (excepto algunos puentes de ferrocarriles)continuo a través del tramo. Como consecuenciade esta continuidad, actuará como una placa (isó-tropa u ortótropa, dependiendo de la construcción)para soportar las cargas de áreas locales.

La continuidad garantiza que, ya se hayadiseñado o no para hacer eso, tomará parte enla acción estructural global de la superestructura.

Las acciones estructurales globales pue-den incluir:

• La contribución al ala superior de lasjácenas longitudinales (figura 1(2)).

• La contribución al ala superior de lostravesaños en las estructuras de apoyoy, cuando esté presente en las estructu-ras de vigas gemelas y travesaños, entodo el tramo (figura 1(3)).

• La estabilización de las jácenas longitu-dinales y los travesaños,( figura 1(4)).

• La actuación como un diafragma paratransmitir las cargas horizontales a lasestructuras de apoyo (figura 1(5)).

• El proporcionar un medio de distribu-ción de la carga vertical entre las jáce-nas longitudinales (figura 1(6)).

Quizás sea necesario tener en cuentaestas acciones combinadas a la hora de verificarel cálculo del tablero. Lo más probable es queesto suceda cuando existen tensiones significati-vas procedentes de las acciones estructuralesglobales en la misma dirección que los momen-tos de flexión máximos, procedentes de lasacciones locales del tablero, p. ej., en estructurascon travesaños en los que la dirección delmomento máximo está a lo largo del puente.

El paso de cada carga por rueda provo-ca un ciclo completo de tensiones de flexiónlocales. El número de ciclos de tensión es, porlo tanto, mucho más elevado para el tablero quepara el resto de la superestructura. Además,algunas de las acciones del tablero que surgende su participación en el comportamiento globalestán sujetas a inversión total; un ejemplo es ladistribución transversal de la carga verticalentre las jácenas. Por todos estos motivos, esprobable que la fatiga determine el diseño deltablero del puente y no el resto de la superes-tructura.

50

51

INT

RO

DU

CC

IÓN

(3)

Soporte internoCL

(2)

(4)

(1) (5)(6)

Figura 1 Acciones estructurales del tablero de un puente de carretera

2. DESARROLLO HISTÓRICO

Los tableros modernos constan de losasde hormigón o tableros ortotrópicos de acero. Apesar de las diferencias entre los materiales, esposible identificar aspectos comunes en sudesarrollo.

2.1 De la separación a la integración de funcionesEn parte debido a la limitada comprensión

del comportamiento y de los métodos de cálculoy en parte porque convenía a los métodos histó-ricos de construcción, los primeros tableros esta-ban separados del resto de la superestructura. El"tablero de chapa rigidizada por la cara inferiorcon perfiles soldados" de acero, que se muestraen la figura 2(a), estaba formado por paneles de

chapa soldados a vigas laminadas como rigidi-zadores que eran sustentados por, y que simple-mente se extendían sobre, travesaños, que, a suvez, se extendían entre las jácenas principales.La estructura del tablero era relativamente alta,pero todavía podía caber dentro de la altura glo-bal de la viga de celosía. Un enfoque similarpuede apreciarse en la losa del tablero de hor-migón de la figura 2(b). La losa actúa en combi-nación con los largueros, pero no contribuye a laflexión global.

Aunque esta separación reducía la efica-cia global del diseño, hay que señalar que desdeluego favorece las reparaciones de los puentes.Por ejemplo, todo el tablero del puente GoldenGate de San Francisco se sustituyó durante lanoche, permitiendo que el puente se siguiera uti-lizando durante el día.

Los tableros actuales,de ambos materiales, estántotalmente integrados en lasuperestructura global, comose muestra en la figura 3. Estostableros integrados mejoranconsiderablemente la econo-mía de la estructura primaria.En la construcción totalmentede acero, los travesaños y lasvigas principales no necesitanalas superiores separadas.Con un tablero de hormigón,los perfiles laminados (utiliza-dos para travesaños y vigasprincipales en tramos cortos)serán bastante más ligeros.Generalmente, las alas supe-riores de las vigas compuestasserán la mitad de la seccióntransversal que se habríanecesitado para una construc-ción que no sea mixta.

La desventaja de laconstrucción integrada esque la reparación o sustitu-ción del tablero resulta difícily generalmente requiere uncierre prolongado del puente.

52

50 mm Superficies de abrasión de asfalto

Vigas laminadas

Tablero de chapa de 10-20 mm

Jácena

Vigas del tablero cada 5-8 m

(a) Tablero de chapa rigidizada con perfiles soldados

Largueros

Uniones deslizantes

(b) Losa de hormigón

Figura 2 Primeros tableros de puentes para carreteras

2.2 Una mayor sencillezEl creciente ratio entre los costes de

mano de obra y materiales ha favorecido el desa-rrollo de formas de construcción más sencillas.El desarrollo de modernas técnicas de soldadu-ra ha contribuido de forma considerable a estasimplificación.

Por ejemplo, los primeros intentos paradisponer los largueros y los travesaños al mismonivel hicieron necesaria la unión atornillada oremachada que se muestra en la figura 4a. Elequivalente moderno de la figura 4b ya se reali-za con una soldadura fiable.

2.3 Evolución del larguero en los tableros de aceroUn aspecto muy importante del desarrollo

histórico de los tableros de acero es la evoluciónde la forma de rigidizadores o largueros longitu-dinales. Al principio, sólo se emplearon los rigidi-zadores abiertos mostrados en la figura 5a. Es

sencillo trabajar con perfiles planos (i) y (ii),pero son relativamente ineficaces a flexión;perfiles planos con nervios (iii) son más efica-ces a flexión, pero tienen tendencia a unainestabilidad lateral; los aceros en T (iv) y losperfiles angulares (v) ofrecen una buena com-binación de resistencia a la flexión longitudinaly resistencia al pandeo lateral. Todos estosrigidizadores abiertos poseen la desventajabásica de que son flexibles a torsión. Su usoda lugar a un panel que es sólidamente orto-trópico y de poca resistencia a la torsión (Dx>> Dy ó Dxy). Dichos paneles son ineficacespara la distribución transversal de las cargaslocales, lo que da lugar a una reducida anchu-ra útil a flexión y altas tensiones longitudinalesbajo cargas en áreas locales.

Sería posible, aunque caro, introducirrigidizadores transversales locales para aumen-tar Dy, pero es factible aumentar Dxy y, por con-siguiente, mejorar la distribución transversal,mediante el uso de rigidizadores cerrados. Lafigura 5b muestra los rigidizadores cerrados quese han desarrollado. Al principio, se creó el rigi-dizador "de copa de vino" (i) para los primeros

puentes del Rin, de la posguerra en Alemania.Este rigidizador ofrecía una buena combinación deresistencia a la flexión y a la torsión, pero su fabri-cación era costosa. Posteriormente, aparecieron elrigidizador en V y el rigidizador trapezoidal. El últi-mo ofrece una mejor resistencia a la flexión que elprimero, aunque pierde algo de resistencia a la tor-sión a partir de la distorsión de la sección trans-versal.

Los primeros tableros de chapa rigidiza-da por la cara inferior con perfiles soldados,estaban diseñados para formar un conjunto conel alma del travesaño, por ejemplo (a)(i). Estodio lugar a un rendimiento a fatiga muy escasopara los largueros. Posteriormente, se hizo fre-cuente acanalar el alma y tener largueros conti-nuos, por ejemplo (a) (iv) + (v) y (b) (ii) y (iii).Con aberturas convenientemente redondeadasen el alma, no se produce ningún problema defatiga en ese elemento. Es necesario señalarque las fibras extremas de los largueros tampo-co se sueldan, mejorando de ese modo su ren-dimiento de fatiga.

53

DESARROLLO HISTÓRICO

(a) Tablero de acero ortotrópico

(b) Tablero compuesto

Figura 3 Actuales tableros de puentes para carreteras

54

Larguero

Larguero

Viga transversal

Viga transversal

(a) Primeras construcciones con uniones atornilladas o con remaches

(b) Actual construcción por soldadura

Nota: Orientaciones diferentes de los diagramas para ilustrar las uniones

Figura 4 Intersecciones de largueros/vigas transversales

55

DESARROLLO HISTÓRICO

(i)

(i)

(ii)

(ii)

(iii)

(iii)

(iv) (v)

(a) Rigidizadores abiertos, con poca resistencia a la torsión

6-8 mm

(b) Rigidizadores cerrados, con gran eficacia contra la torsión

Figura 5 Rigidizadores (largueros) para tableros de acero ortotrópico

3. TABLEROS ACTUALES PARAPUENTES DE CARRETERAS

3.1 Losas de Hormigón Armadopara Puentes Mixtos

3.1.1 Tramos y cantos

Se utilizan losas de hormigón armado enuna amplia variedad de puentes mixtos. Cuandoestán sustentadas en apoyos cercanos, es decir,hasta 3,5 m (como se muestra en la figura 6a),generalmente tendrán un canto uniforme de 220a 250 mm.

También se usan losas de hormigón parajácenas ampliamente separadas, tal como semuestra en la figura 6b. En estos casos, el aho-rro económico que se puede lograr mediante lareducción del peso propio justifica el coste adi-cional del uso de losas decanto variable, tal como semuestra.

3.1.2 Métodos de construcción

Es posible, y aún esbastante frecuente, verter elhormigón de la losa a pie deobra, en un encofrado conven-cional. Sin embargo, se hadedicado una considerableinventiva a mejorar esta formade construcción. Entre losejemplos se incluyen:

• Uso de unidades pre-fabricadas de cantocompleto, con cavida-des para albergar losconectores. Se utilizala inyección de lecha-da de cemento paracompletar estas cavi-dades y rellenar lajunta entre losas con-

tiguas (figura 7a).

• Uso de unidades prefabricadas decanto completo, con tornillos por fricciónde alta resistencia (figura 7b y c).

• Uso de encofrado permanente de plás-tico reforzado con fibra de vidrio.

• Uso de chapa de acero rigidizada comoarmadura externa. La chapa se une alhormigón mediante conectores de ciza-llamiento convencionales para formaruna losa mixta.

• Uso de placas prefabricadas comoencofrado permanente. Dependiendodel detalle de la armadura dentro deestas placas, pueden contribuir o no a laresistencia de la losa finalizada.

3.1.3 Métodos de análisis y diseñoAparte de ciertos tipos de losas en las que

se usan placas prefabricadas, todas las losas de

56

3,5 a 4,0 m

220 a 250 mm

Refuerzos opcionales sobre las vigas; aumentan la eficacia de la sección mixta, pero aumentan también los costes de construcción

(a) Puente de vigas múltiples o de vigas transversales

(b) Puente de vigas gemelas sin vigas transversales

Figura 6 Proporciones habituales de los tableros de hormigón armado en puentes de carreteras

57

TABLEROS ACTUALES PARA PUENTES…

(a) Elemento totalmente prefabricado (b) Elemento totalmente prefabricado con tornillos de alta resistencia que trabajan por fricción

(c) Elemento totalmente prefabricado con tornillos de alta resistencia que trabajan por fricción

Figura 7 Métodos de evitar encofrados convencionales para tableros de hormigón armado

hormigón armado son isotrópicas ypueden analizarse mediante métodossencillos. Es necesario que el análisistenga en cuenta los diversos modos decomportamiento de la losa.

• Contribución a la flexión lon-gitudinal global de las jáce-nas primarias

La anchura útil de la losa seincluye en el coeficiente de lasjácenas. La tensión resultante,la compresión en el centro delvano y la tracción en lasestructuras de apoyo puedendeterminarse inmediatamentea partir del análisis global. Esprobable que las zonas delcentro del vano sean satisfac-torias a compresión; las zonasde las estructuras de apoyogeneralmente requieren unaarmadura adicional, que debe-ría colocarse dentro de laanchura útil de la losa.

• Contribución a la flexión glo-bal de los travesaños (cuan-do existan)

El tratamiento es similar al delas jácenas longitudinales.

• Contribución al comporta-miento global de la estructu-ra, p. ej., la distribución trans-versal de las cargas locales entre dosjácenas contiguas

También debe considerarse este efectodentro del análisis global. Generalmente,la losa es sustituida por vigas equivalen-tes en el análisis del emparrillado, talcomo se muestra en la figura 8. Se reco-mienda repartir cada tramo en no menosde ocho partes, con el fin de garantizar elmodelo adecuado de la estructura. El cál-culo de la resistencia a la flexión de cada"viga" es sencillo; se supone que la losano presenta fisuras y es totalmente efi-caz. También es necesario determinar laresistencia a la torsión de la losa: la mejor

forma de hacerlo es distribuir la resisten-cia a la torsión total de manera equitativaentre las vigas transversales y las vigasgemelas longitudinales, es decir, asignar-

la por anchura unitaria en ambas

direcciones, donde d es el canto de lalosa.

• Acción de flexión local para transferir lascargas por rueda y otras cargas localesa la superestructura principal

Solamente se requiere el análisis de lalosa próxima a la carga por rueda. Lamayoría de las situaciones prácticas se

d3

6

58

16 16

(a) Planta del puente

2,7 2,7 2,7

2,7

(b) Sección transversal

(c) Modelo de parrilla

1,1

(d) Sección transversal del centro del vano (e) Sección transversal sobre una pila intermedia

Figura 8 Análisis de una parrilla de un puente mixto, considerando eltablero como conjunto equivalente de vigas

pueden reducir a casos estándar y pue-den evaluarse por medio de líneas deinfluencia [1]. En la figura 9, se realiza uncorte esquemático de un gráfico típico(Gráfico de influencia de Pucher). Lascargas de áreas locales se aplican al grá-fico de una forma que maximiza el volu-men bajo la superficie de influencia.Entonces se evalúa numéricamente elvolumen. La simplificación de las condi-ciones de apoyo para permitir el uso degráficos estándar da lugar a una valora-ción moderada de los peores momentos.

Una vez que los métodos de cálculo handeterminado la combinación global demomentos, esfuerzos axiales y cizalla-mientos en la losa, se puede comprobarsu idoneidad a compresión y cizallamien-to y se puede detallar la armadura de unaforma convencional. Cierta armadura decompresión suele ser necesaria en laszonas de mayor momento.

3.2 Tableros de acero ortotrópicos

3.2.1 Introducción

Los tableros de acero ortotrópicos hanestado sometidos a una considerable optimiza-

ción práctica. La principal motivación de estaoptimización ha sido desarrollar el tableromás barato que obtenga una longevidad a lafatiga satisfactoria. Se han producido proble-mas importantes de fisuración por fatiga,tanto en las soldaduras del rigidizador/tablerocomo en las uniones del rigidizador/travesa-ño. Lo primero ha dado lugar al uso de chapade tablero más gruesa y soldaduras másresistentes a la fatiga; lo último ha originadouna forma especial de unión soldada.

El resultado de esta optimización prác-tica ha sido el desarrollo del tablero ortotrópi-co “europeo” estándar que se describe a con-tinuación.

3.2.2 Comportamiento estructuralde los tableros de acero ortotrópicos

Aunque las funciones y las tensionesresultantes de los componentes de un puentede tablero superior de acero se interrelacionanestrechamente, es necesario, para los fines deldiseño, tratar por separado los tres sistemasestructurales básicos, de la manera siguiente[2]:

Sistema I. El principal sistema de puente,en el que el tablero de acero actúa como unaparte de los principales elementos sustentado-res del puente.

En el cálculo de las tensiones de este sis-tema en los puentes de tipo jácena, toda el áreade la sección transversal del tablero, incluidoslos nervios longitudinales, puede considerarserealmente como un ala.

Sistema II. El tablero de chapa de acerorigidizada, que actúa como tablero del puenteentre las barras principales, está formado pornervios, viguetas y la chapa del tablero como elala superior común.

La principal contribución de Pelikan yEsslinger [3] radica en la predicción del com-

59


Borde libremente apoyado

Borde libremente apoyado

Superficie de influencia para momento longitud X

Contorno negativo

Contorno positivo

X

Figura 9 Ejemplo de un gráfico de Pucher para la determina-ción de momentos debidos a cargas de ruedas loca-les

portamiento del Sistema II, la chapa ortotrópi-ca continua sobre estructuras de apoyo flexi-bles.

Sistema III. La chapa del tablero, queactúa en flexión local entre los nervios, transmi-tiendo las cargas por ruedas a los nervios. Lastensiones locales de la chapa del tablero actúanprincipalmente en dirección perpendicular a losnervios y viguetas de apoyo y no se añadendirectamente a sus otras tensiones.

Las tensiones predominantes en el diseñodel tablero se obtienen mediante la superposi-ción de los efectos de los Sistemas I y II.

3.2.3 El tablero ortotrópico “europeo” y los métodos de construcción

La figura 10a muestra la sección transver-sal básica de este tablero, que se considera queproporciona el diseño más rentable y resistente ala fatiga.

El detalle de construcción más importantees la soldadura del tablero/rigidizador. Para unafiable vida a la fatiga, es esencial una firme sol-

dadura de penetración total (figura 10b).Esto puede conseguirse mediante un cortecuadrado en el extremo del rigidizador,siempre que se adopten procedimientos desoldadura idóneos y se consiga un ajustebueno entre las dos chapas. Lo últimorequiere una cuidadosa fabricación del rigi-dizador del tablero inferior y abrazaderas ydispositivos de fijación adecuados en lalínea de soldadura del panel.

Otro detalle importante es la cone-xión entre el rigidizador y el travesaño (odiafragma), que se muestra en la figura10c. El rigidizador es continuo a través deuna abertura en el diafragma, para garanti-zar la continuidad total. Solamente lasalmas del rigidizador se sueldan al diafrag-ma; esto mejora el rendimiento de fatiga delrigidizador. Los “huecos de unión” superio-res e inferiores poseen radios en las esqui-nas para reducir al mínimo las concentra-ciones de tensiones en el diafragma.

3.2.4 Métodos de cálculo y verificación del diseño

El análisis detallado del tablero orto-trópico está bien documentado [2, 4]. Elmétodo de cálculo más práctico es el dePelikan y Esslinger. Este método se basaen la aplicación de la ecuación de Huber.Da por sentado que el sistema de tableroes una chapa ortotrópica, soportada rígida-

60

300 mm 300 mm

14 mm

14 mm

Detalle (b)

6 a 8 mm

(a) Disposición general

Soldadura de una sola cara con penetración total

(b) Detalle de soldadura tablero/rigidizador

(c) Detalle de conexión entre rigidizador y tablero

Figura 10 Tablero ortrópico estándar

mente por sus vigas principales y soportadaelásticamente por las viguetas.

El método de diseño se divide en dosetapas:

• En la primera etapa se asume que lasviguetas, así como las vigas principales,son infinitamente rígidas.

• En la segunda etapa se aplica unacorrección, considerando las viguetascomo soportadas elásticamente. Lasreacciones de la chapa sobre las viguetasse sustituyen por una carga proporcionalen cada punto a la flecha de la vigueta.Los momentos totales se encuentranmediante superposición, debido a lainfluencia de cargas permanentes y nopermanentes que asumen los apoyosrígidos y cargas no permanentes queasumen las viguetas elásticas.

Éstos son puntos de especial importancia:

1. La anchura útil de una chapa discre-tamente rigidizada es inferior a la deuna chapa ortotrópica totalmente con-tinua. En su determinación se debeadmitir que sólo la chapa del tableroes continua.

2. Los rigidizadores en forma de tableroinferior no son totalmente eficaces atorsión, debido a la distorsión de lasección transversal. Se dispone deorientación sobre los métodos apro-piados para dar cabida a esta reduc-ción de la rigidez.

En principio, el diseño del tablero debeverificarse por separado en cuanto a resistenciaestática y resistencia a la fatiga. En cuanto a laresistencia estática, es necesario comprobar loscomponentes individuales del tablero respecto alas siguientes tensiones, en combinación:

1. Tensiones longitudinales provocadaspor la participación en la flexión globalde la superestructura.

2. Tensiones transversales provocadaspor la participación en la flexión deldiafragmas.

3. Tensiones longitudinales y tensionestangenciales provocadas por la flexiónde la chapa rigidizada entre diafrag-mas.

4. Flexión transversal de la chapa deltablero entre almas del tablero inferior.

En cuanto a la carga de fatiga, las zonascríticas son las identificadas en el punto 3.2.3anterior. En la práctica, la idoneidad se hademostrado mediante la experiencia más quemediante el cálculo de los muy complejos cam-pos de tensiones elásticas.

Generalmente, las alas de las seccionestransversales de los puentes son relativamenteamplias respecto a sus tramos. Por consiguiente,es necesario incluir los efectos del desfase cor-tante en el análisis de la flexión.

Los efectos del desfase cortante hacenque la distribución de las tensiones en la seccióntransversal sea no-lineal. Los valores de tensiónmáxima tienen lugar en las uniones de ala conalma. La anchura útil viene definida por la condi-ción de que las tensiones en la unión de ala conalma, de acuerdo con la teoría de la flexión,deben ser idénticas a las tensiones máximas cal-culadas mediante la aplicación de la teoría mate-mática de la elasticidad.

La anchura útil bm se define como la anchu-ra de una superficie rectangular de altura (dx)máx,que tiene la misma superficie que el área del dia-grama de tensión. La anchura útil, figura 11a, secalcula mediante la siguiente ecuación.

Para resolver esta ecuación, fue necesa-rio establecer ecuaciones diferenciales simultá-

b

d

m

x y

b

x y b=

∫

=

δ

δ0

(

61


b

d

m

xy

b

xyb=

∫

=

δ

δ0

(

62

bm

bm bm bm

bm bm bm

bm bm

bm bm bm bm

bm

bm bm bm bm bm

bm

b

b b

b b b

b b

b b b b b b b b b b b b

b

(a)

(b)

Sistemas bm/b

bm/b

l

1

2

3

4

Simple apoyo vigas

Vig

as c

ontin

uas

Tramo final

Tramo central

Tramo voladizo

α αβ

a aL

α

α

β

a

aL

L

L

γ

c

β

β

L

L

γγ

cc

0,8 L

0,6 L

a = b, pero no mayor que 0,25 L; c=0,1 L

Apoyo de extremo; Tramo en voladizo Tramo central de las vigas: Intermedio, Ala superior: Intermedio, ala inferior

αbβbγobγub

0

0,1

0,1

0,2

0,2

0,3

0,3

0,4

0,4

0,5

0,5

0,6

0,6

0,7

0,7

b/l> 0,7

bmA = 0,130 lbmF = 0,173 lbmC = 0,104 l

0,8 0,9 1,0

α β

γo

γu

b

l

Figura 11 Definición de la anchura eficaz bm

neas para determinar tanto la flecha de la jácenacomo los desplazamientos axiales en cualquierpunto de la chapa.

La mayoría de las situaciones prácticaspueden reducirse a casos estándar y evaluarsemediante gráficos y tablas estándar (figura 11b).

63


4. TABLEROS ACTUALES PARA PUENTES DE FERROCARRILES

4.1 Renovación de estructuras

La mayoría de los diseños actuales depuentes de ferrocarriles consisten en renovacio-nes de las estructuras desgastadas existentes.En el diseño predomina la necesidad de comple-tar la renovación y reabrir la línea de ferrocarrildentro de un plazo de tiempo muy limitado, gene-ralmente una semana.

4.2 Nuevos trazados

Cuando se está creando una nuevalínea o variante, el criterio más importante es

uno inusual en las estructuras metálicas, el delruido. Algunos puentes de acero anteriores seconstruyeron con traviesas que proporciona-ban más o menos un apoyo directo para los raí-les (figura 12a, b y c). Se eliminó el balasto tra-dicional. Estas estructuras han resultado sermuy ruidosas, desde luego demasiado ruido-sas para ubicaciones cercanas a los espaciosresidenciales y probablemente demasiado rui-dosas para los pasajeros. Este problema se hasuperado mediante la reintroducción del balas-to en todo el puente (figura 12d y e). El balas-to presenta la ventaja adicional de garantizarque el mantenimiento de las vías y el trazadode la línea son similares dentro y fuera delpuente.

64

65


h ≥ 800 1500

1500

1000

hb ≈ 900-1300 ≥ 2600

1700

(a)

(c)

(e)

1160

2500

1788

4500

1552

(b)

4300

2000

(d)

Figura 12 Tableros para puentes de ferrocarril

5. RESUMEN FINAL• Tableros de Puentes:

• Proporcionan apoyo a las cargas locales.

• Contribuyen a la flexión longitudinal y trans-versal globales.

• Estabilizan la estructura primaria.

• Actúan como diafragmas.

• Contribuyen a la distribución transversal dela carga entre las jácenas primarias.

• Los tableros de puentes son propensos a lafatiga.

• Los tableros actuales de puentes se integranen el comportamiento global del puente.

• En los puentes mixtos se utilizan ampliamen-te losas de hormigón armado, a menudo condiversas formas de encofrado permanente.

• Se ha desarrollado un tablero ortotrópicoeuropeo estándar.

• Los tableros actuales de puentes de ferroca-rriles están:

• Diseñados para una rápida construccióndurante la renovación del puente.

• Diseñados para soportar el balasto de lasvías, con el fin de reducir al mínimo el ruido.

6. BIBLIOGRAFÍA

[1] Design Guide for Continuous CompositeBridges: 1 Compact Sections SCI Publication065, 1989.

[2] Troitsky, M. S., Orthotropic Bridges, Theoryand Design, The Forms F Lincoln Arc WeldingFoundation, 1987.

[3] Pelikan, W and Esslinger, M, DieStahlfahrbahn Berechnung und Konstruktion.MAN ForschHeft, 1957, 7.

[4] Cusens, A. R. and Pama, R. P., Bridge DeckAnalysis, John Wiley and Sons, London, 1975.


1. Design Guide for Simple SupportedComposite Bridges SCI Publication 084, 1991.

2. Design Guide for Continuous CompositeBridges: 2 Non-Compact Sections, SCIPublication 066, 1989.

3. Baidar Bakht, Leslie G. Jaeger, BridgeAnalysis Simplified, McGraw-Hill Book Company,New York, 1985.

66


Lección 18.4: Puentes de Vigas Armadas y Laminadas

67

69

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Introducir el diseño de los puentes devigas armadas y laminadas para aplicacionesde puentes de carreteras, ferrocarriles y pasa-relas.


Ninguno

LECCIONES AFINES

Lección 10.4.1: Comportamiento y Diseñode Vigas Armadas I

Lección 10.4.2: Comportamiento y Diseñode Vigas Armadas II

Lección 10.4.3: Diseño de Vigas Armadas -Particularidades




Lección 18.10: Equipamiento del Puente

Lección 18.11: Cubrejuntas y otras Conexio-nes en Puentes

Lección 18.12: Introducción a la Construcciónde Puentes

RESUMEN

Esta lección identifica los principales tiposde puentes de vigas armadas mixtas y no mixtasque se utilizan para puentes de carreteras, ferro-carriles y pasarelas. Trata sobre planes de conjun-to globales, tipos de continuidad, proporciones delas jácenas, separaciones de jácenas longitudina-les y travesaños y elección de losas de tableros.Ofrece una orientación para el dimensionado ini-cial de las formas más generalizadas de construc-ción. Habla sobre los medios con los que las jáce-nas pueden estabilizarse frente al pandeolateral-torsional y distorsional. Ofrece una orienta-ción para el proyecto detallado, desde el análisisglobal hasta los detalles importantes.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Generalidades

La viga laminada simple es quizás elelemento más básico, aunque no necesa-riamente la más eficaz. A diferencia delarco, la viga soporta las cargas aplicadasprincipalmente por la flexión y el cizalla-miento asociado. La distribución del mate-rial dentro de la sección de la viga laminadao armada se selecciona cuidadosamentepara cumplir este requisito: el materialnecesario para soportar las tensiones deflexión se sitúa en las extremidades supe-rior e inferior de la sección, para obtener lamáxima eficacia, mientras que normalmen-te se asume que el alma (generalmente elcanto) que separa las alas resistirá todo elesfuerzo cortante aplicado a la sección.

Dependiendo de los tramos que exis-tan, la intensidad de la carga, los costes demanipulación del acero y cualquier requisi-to especial geométrico y/o estético de laestructura, se debe tomar una decisiónsobre si se van a utilizar perfiles de vigalaminada o armadas.

Las vigas armadas y laminadas seutilizan en diversas formas de puentes [1-4]. La figura 1 muestra los tipos básicos de puen-tes mixtos. En la figura 1a las vigas principalespoco espaciadas soportan directamente untablero de grosor uniforme. Esta forma de cons-trucción es muy sencilla y se utiliza ampliamen-te. Sin embargo, su economía es reducida por-que existe mucha más capacidad de cizallamientode la que es necesaria, es decir, existen dema-siadas almas. Si se reduce el espesor de lasalmas de forma que reciban una tensión másalta, requerirán una rigidización considerable ycostosa.

En la figura 1b la economía del cizalla-miento se ha mejorado bastante, puesto quesólo existen dos jácenas, el mínimo número posi-ble. Éstas se encuentran ahora mucho másseparadas y la losa generalmente estará refor-

zada para proporcionar suficiente resistencia a laflexión transversal.

En separaciones mayores de jácenas, elespesor de la losa necesario aumenta más alláde su límite económico. Por consiguiente, seintroducen travesaños, como se indica en la figu-ra 1c. No existe realmente ningún límite para laanchura de esta forma de construcción.

Como solución intermedia, también sehan desarrollado las vigas gemelas con seccio-nes transversales de larguero intermedio, que semuestran en la figura 1d. La presencia del lar-guero asemeja la distancia de apoyo de la losa ala de los puentes de jácenas múltiples. El lar-guero, mucho más delgado que las vigas lami-nadas principales, tiene que estar sustentado

70

(a) Vigas múltiples

(b) Vigas gemelas con tablero reforzado

(c) Vigas gemelas con viguetas transversales

(d) Vigas gemelas con barras de arriostramiento intermedias

Figura 1 Puentes mixtos de vigas compuestas y de alma llena

por un sólido arriostramiento transversal. Laresistencia al esfuerzo cortante longitudinal delas dos vigas principales se limita ahora al míni-mo requerido. No obstante, este sistema sí querequiere un importante arriostramiento transver-sal que reduce considerablemente la economíaglobal.

Los puentes no mixtos pueden adoptarcualquiera de las formas estructurales mostra-das en la figura 1, en las que la losa de hormigónse ha sustituido por un tablero de acero ortotró-pico. Dichas estructuras sólo pueden justificarsecuando exista una necesidad primordial de redu-cir al mínimo el peso estructural.

Con más frecuencia, las vigas armadasno mixtas se usan para los puentes de viga detablero inferior o de tablero intermedio que apa-recen en la figura 2. El tablero puede ser de hor-migón, sustentado por, y generalmente actuando

en combinación con, travesaños de acero, o biende acero rigidizado ortotrópicamente.

1.2 Tipos de aplicaciones

Los puentes de vigas mixtas de almallena se utilizan principalmente para puentes decarreteras o pasarelas. Los puentes de vigasarmadas y laminadas de acero no mixtas pue-den usarse para soportar cargas de carreteras,ferrocarriles o peatones. Una de las aplicacio-nes más especializadas se encuentra en eldiseño de rampas para el acceso a ferries deautotransbordo.

1.3 Campo de aplicación

Los puentes mixtos con vigas laminadasuniversales pueden salvar una luz de hasta 30

m para tramos simples y dehasta 35 m para una estruc-tura continua. Sin embargo,las vigas laminadas univer-sales sólo se pueden utilizarpara tramos próximos alextremo superior de estosintervalos si la separación dejácenas se reduce conside-rablemente. En muchos deestos casos, será más eco-nómico utilizar vigas arma-das.

Las vigas armadasmixtas se pueden usar parala gran mayoría de los puen-tes de media luz. Cuando lostramos superan una distanciacomprendida entre 80 y 100m, es probable que se prefie-ran las vigas en cajón, debidoa sus mejores propiedadestorsionales y estéticas.

Se pueden usar jáce-nas no mixtas para tramoscomprendidos entre 20 y 100m.

71

INTRODUCCIÓN

Jácena

Esta dimensión es menor que el gálibo de carga no permanente por lo que no es posible ningún arriostramiento entre las alas superiores

Superficie del tablero

Superficie del tablero

Ala superior

Jácena

Altura efectiva de la construcción

Arriostramiento

Esta dimensión debe ser suficiente en relación con el gálibo de la carga para permitir una barra de arriostramiento entre los dos extremos superiores de las jácenas

(a) Puente de viga de tablero intermedio

(b) Puente de viga de tablero inferior

Figura 2 Secciones de los puentes de viga de tablero intermedio e inferior

1.4 Tipos de puentes de vigas de tablero inferior

Es necesario definir los términos de puen-tes de “viga de tablero inferior” y “viga de tablerointermedio”. Estos términos son frecuentes en elReino Unido, pero no parecen tener equivalentesdirectos en otros muchos países. La figura 2muestra estos dos tipos de secciones transver-sales y define la diferencia esencial existenteentre ellos. Deben destacarse dos puntos impor-tantes:

• es poco probable que se usen vigasarmadas o vigas laminadas en la cons-trucción de puentes de tablero inferior,por cuestiones estéticas y además por-que es imposible realizar vigas armadas

de la altura necesaria (por ejemplo, 6-6,5 m para dar cabida a los típicos gálibosde las carreteras). En lugar de unaestructura de viga de tablero inferior seutilizarán probablemente vigas de celo-sía o arcos.

• en una estructura de viga de tablerointermedio se puede usar cualquierforma de viga principal (viga armada,viga laminada, viga en cajón, viga decelosía o arco).

Por lo tanto, para los puentes de vigasarmadas y laminadas, es posible decir que laforma de viga de tablero inferior no se encontra-rá en estructuras que soporten tráfico de carre-teras o ferrocarriles.

72

2. DISPOSICIONES DE LOS TRAMOS

2.1 Tramos continuos o simples

Todos los puentes de vigas de alma llenapueden usarse para el campo de disposicioneslongitudinales que se muestra en la figura 3.Para los viaductos, la disposición más económi-ca es aquélla en la que todos los tramos internostienen la misma longitud L y los dos tramosextremos tienen cada uno una longitud aproxi-mada de 0,8 L. Lógicamente, las limitacionesespecíficas impuestas por la ubicación particulardel puente pueden impedir el uso de una dispo-sición de este tipo.

El uso de jácenas continuas en lugar dediversas jácenas libremente apoyadas en unaestructura de tramos múltiples resultará sermás eficaz desde un punto de vista estructuraly, por lo tanto, generalmente más económica.Existe también un ahorro potencial que se deri-va del reducido número de uniones del tableroque se necesita. Menos uniones del tablero pro-porcionan un ahorro a más largo plazo en cos-tes de mantenimiento, ya que se reduce o seelimina totalmente la necesidad de reparar lasuperestructura y los tajamares en las posicio-nes intermedias de la pila como resultado defugas a través de uniones defectuosas deltablero.

El uso de una estructura en voladizo y deviga apoyada da lugar a una estructura deter-minada para la cual el análisis global es senci-llo. Como en el caso de múltiples tramos libre-mente apoyados, la configuración de voladizo yviga apoyada puede resultar atractiva cuandoexista una probabilidad de un asiento diferen-cial significativo entre estructuras de apoyo, p.ej., en áreas de asiento de minas. Sin embargo,la necesidad de medias uniones en las vigasprincipales en los puntos de apoyo de las vigasapoyadas y de uniones de tablero en estas mis-mas ubicaciones da lugar a un aumento de loscostes de mantenimiento a largo plazo (porrazones similares a las explicadas en el párrafoanterior).

2.2 Proporción de las vigas principales

La figura 4 indica las relaciones entre luz ycanto, que la experiencia ha sancionado como lasmás económicas para diversos tipos de jácenas.Desde luego es posible adoptar una estructura demenor canto, para satisfacer las limitaciones deuna obra en particular, pero de ese modo el pesoy el coste de la superestructura se incrementarán.

La figura 5 muestra las dos formas alter-nativas de variar el canto de las vigas armadas.Las ménsulas de la figura 5a son más apropia-das para disposiciones en las que el tablero estásobre las vigas principales. La figura 5b ilustra ladisposición más apropiada para los puentes detablero inferior y de tablero intermedio.

73

DISPOSICIONES DE LOS TRAMOS

(a) Tramo único

(b) Tramos con soportes simples

(c) Tramos en voladizo y en suspensión

(d) Longitudes ideales para un viaducto continuo

(e) Puente continuo sobre autovía

(f) Puente continuo con perfil curvado

0,8 L 0,8 LL L L L L

Figura 3 Disposiciones longitudinales de vigas de almallena

74

L/20 a L/25

L/30 a L/40 L/18

L/15L/40

L

Figura 4 Proporciones adecuadas de canto/luz

(a) Perfil (curvado) con refuerzo sobre las pilas

(b) Ala superior curvada

Figura 5 Formas posibles de vigas de alma llena de altura variable

3. DISEÑO INICIAL DE PUENTESDE VIGAS DE ALMA LLENAMIXTAS

3.1 Separación de jácenas y espesor de la losa del tablero

La losa del tablero tiene que distribuir lascargas por rueda a las vigas principales y tam-bién se debe transferir cierta carga desde lasjácenas más cargadas a las adyacentes. Laseparación de las vigas principales, de estemodo, afecta al diseño de la losa, así como alnúmero de jácenas requeridas.

Para jácenas poco separadas, las cargaspor rueda determinan el diseño de la losa, inclui-da su armadura. El espesor mínimo de la losa esde aproximadamente 220 mm, sobre la base derequisitos ante la cortadura y la limitación deltamaño de las fisuras. Los momentos transver-sales totales de la losa no son muy sensibles ala separación de jácenas en el intervalo de 2,5 a3,8 m, puesto que el aumento de los momentoslocales a medida que se incrementa la separa-ción casi se equilibra por la reducción de losmomentos procedentes de la transferencia decarga entre las jácenas. Generalmente, el grosoróptimo de la losa es de 230 - 250 mm.

A la hora de seleccionar una separaciónde jácenas apropiada, es importante garantizarque los voladizos en los bordes de la losa estánlimitados, para evitar sobrefatigar la losa oimponer demasiada carga en las jácenas exte-riores.

A partir de la explicación anterior surgende forma natural las siguientes proporcionespara la sección transversal de la figura 1a:

• canto de la losa de 230 a 250 mm

• separación entre jácenas de 2,5 a 3,8 m

• voladizos de no más de 1,5 m si sopor-tan el tráfico, o de aproximadamente 2,5m si soportan las calzadas que estánresguardadas con vallas de protección,para evitar cargas por rueda locales.

Esta forma de estructura ha demostradoser económica para los puentes mixtos de luzmás pequeña. Se utiliza en toda Europa para tra-mos de hasta 35 m aproximadamente. En elReino Unido se usa regularmente para tramosde hasta unos 60 m y excepcionalmente dehasta 100 m. En los tramos más largos se halogrado una economía, porque en el mercado delas principales vigas armadas se han dado citafabricantes especializados, que han invertido encadenas de producción semiautomáticas.

En cualquier parte de Europa general-mente se ha adoptado la sección transversal queaparece en la figura 1b para estructuras deanchura moderada, de hasta 12 m, y tramos deaproximadamente 35 m. La losa es, por lo gene-ral, de altura variable y mayor, para permitir quela separación de jácenas aumente. Las propor-ciones típicas son:

• un canto de losa de 250 m, aumentan-do a 350 mm sobre las jácenas

• separación de jácenas de 6 ó 7 m

• voladizos que soportan el tráfico dehasta 2 m, ampliándose a 3,5 m cuandoexisten calzadas resguardadas convallas de protección.

Cuando el puente tiene una anchurasuperior a 12 m aproximadamente, es habitualintroducir travesaños, como se muestra en lafigura 1c. De las explicaciones anteriores sededuce que las proporciones óptimas son:

• canto de la losa de 230 a 250 mm

• separación entre travesaños de 3,5 a4,0 mm

• separación entre jácenas: tan anchacomo sea necesaria

• los voladizos generalmente serán máspequeños, no más de 1,5 m, puesto quela desventaja de aumentar la separaciónde jácenas sólo consiste en aumentar lamagnitud de los travesaños. Una mayorseparación de jácenas hace que disminu-ya la proporción de una carga excéntricaque es soportada por una jácena.

75

DISEÑO INICIAL DE PUENTES DE VIGAS...

3.2 Predimensionado de las dimensiones del ala y del almaSe puede hacer uso de la experiencia y

de algunas reglas empíricas para el análisisaproximado que sigue a la selección inicial de lasmagnitudes. A continuación se ilustra el procesopara un puente de jácenas múltiples. En [5]puede encontrarse orientación adicional.

El cizallamiento predominante tiene lugarcuando el “vehículo pesado” ,de cálculo, se sitúadirectamente sobre una jácena adyacente a unaestructura de apoyo. Si la jácena es una viga deborde, aproximadamente el 85% del cizallamien-to total será soportado por la jácena que se estáexaminando. Si se trata de una jácena interna,una proporción más apropiada es el 70%.

Los momentos predominantes en gene-ral ocurren cuando el “vehículo pesado” de cál-culo está directamente sobre la jácena en elcentro del vano. Aproximadamente el 75% delvehículo está soportado por una viga de borde;para una jácena interna, la proporción es apro-ximadamente del 50%. Una sencilla distribuciónde momentos o cualquier otro método manualde análisis ofrecerá cálculos realistas de losmomentos de la estructura de apoyo y del cen-tro del vano.

La mayoría de los proyectistas dimensio-nan primero el alma, de forma que pueda sopor-tar el 150% del cizallamiento predominante (lareserva es valiosa para contribuir a la resistenciaa la flexión). Si el ala inferior está inclinada,soportará parte del cizallamiento y el espesor delalma se puede reducir de acuerdo con esto. Parajácenas de hasta 1,5 m de canto, incluidos losperfiles laminados, el alma generalmente estáproporcionada de forma que no requiera rigidiza-ción, excepto en las estructuras de apoyo. En elintervalo de 1,5 a 2,5 m, es probable que el almaóptima necesite rigidización vertical, posiblemen-te con rigidización horizontal cerca de las estruc-turas de apoyo internas, donde la mayor parte delalma está a compresión. Por encima de 2,5 m esprobable que requiera rigidización tanto verticalcomo horizontal.

El ala inferior se dimensiona a continua-ción para proporcionar el coeficiente necesario.De acuerdo con la disponibilidad de chapas ypletinas estándar, generalmente se hace tanancha como sea posible dentro de límites codifi-cados en casos excepcionales. Estas proporcio-nes ofrecen la mayor inercia lateral posible a lajácena, reduciendo al mínimo los requisitos dearriostramiento y contribuyendo a la estabilidaddurante el montaje.

En las estructuras de apoyo internas, elala superior generalmente tiene la mitad desuperficie que el ala inferior, suministrándosemás resistencia a la tracción mediante unaarmadura de la losa.

En el centro del vano, el ala superior sólodebe reducirse al 50% del ala inferior, si con estono van a aumentar los problemas de estabilidaddurante el montaje. A menudo será necesarioincrementar la magnitud del ala superior para lacondición de montaje.

3.3 Consideraciones económicasy prácticas

3.3.1 Consideraciones generales

Es muy probable que líneas bien defini-das en el aspecto global y el mínimo uso dedetalles complejos den lugar a una estructura depuente económica y eficaz, aunque las limitacio-nes externas con frecuencia pongan en peligro laselección de la mejor solución estructural.

El trabajo de taller de la viga I básica noes particularmente caro, especialmente con eluso de las modernas soldadoras semiautomáti-cas de jácenas (máquinas en T y en I). Tiene elmismo orden de coste que el material empleado.Con el uso generalizado de ordenadores en CADy en el control de las máquinas de trabajo detaller, las desviaciones geométricas, tales comoelementos curvos, cantos y precombadura varia-bles, pueden lograrse inmediatamente sin ape-nas desventajas de costes. Gran parte del costetotal del trabajo de taller se debe a la adición de

76

rigidizadores, la fabricación de barras de arrios-tramiento, la soldadura a tope, el acoplamientode elementos auxiliares y otros detalles locales,lo que da lugar a una contribución manual signi-ficativa al proceso. De esta forma, el proyectistapuede actuar con libertad a la hora de elegir ladisposición global, pero debería tratar de reduciral mínimo el número de "piezas pequeñas", delas que hay que ocuparse durante el proceso deltrabajo de taller.

El uso de pletinas anchas para las alaselimina del proceso de trabajo de taller una ope-ración de corte, reduciéndose así los costes. Elborde laminado de la pletina es mejor que elborde de oxicorte, más agudo. Además permiteel uso de maquinaria automática de sierra y tala-dro para el corte a medida, perforación de lostaladros y marcado de las posiciones de losconectadores de cizallamiento. Las toleranciasde laminación de las pletinas anchas últimamen-te se han hecho coincidir con las de las chapas,lo que las convierte en una opción atractiva paralas alas. Se recomienda que se adapten los dise-ños para permitir su uso, aunque algunos fabri-cantes seguirán prefiriendo cortar a partir de lachapa, debido a las muy buenas tolerancias enanchura y rectilineidad logradas con los moder-nos equipos de corte, lo que les va bien a las sol-dadoras de jácenas.

Debería obtenerse un asesoramiento téc-nico de los fabricantes, que contribuya a la elec-ción de los detalles en una etapa inicial del pro-yecto. La mayoría de los fabricantes agradecenlas propuestas de los proyectistas y respondenamablemente a cualquier muestra de interéshacia sus métodos de trabajo de taller.

La forma de la infraestructura en los apo-yos intermedios, ya sea por razones de aspectoo de construcción, a menudo ejerce una graninfluencia sobre la forma de la superestructura.Por ejemplo, un puente de bajo gálibo libre sobreterreno deficiente podría usar múltiples vigasprincipales sobre una única pila ancha, mientrasque un puente a gran altura, de la misma anchu-ra y tramo de tablero, sobre un buen terreno,podría utilizar vigas principales gemelas, con tra-vesaños, sobre pilares individuales.

A veces son inevitables los puentes obli-cuos, pero debería advertirse que una gran obli-cuidad da lugar a la necesidad de mayores esfuer-zos de diseño, un trabajo de taller más difícil yprocedimientos de montaje más complejos. Enparticular, deben considerarse detenidamente elmodelo analítico, los detalles de los elementos delos estribos, la precombadura y la flecha relativaentre las vigas laminadas principales.

3.3.2 Consideraciones sobre la construcción

La construcción de una superestructurade puente mixto generalmente prosigue con elmontaje secuencial de los elementos de lasvigas principales, realizándose el trabajo habi-tualmente desde un extremo al otro, seguido delhormigonado de la losa del tablero y la retiradade la cimbra. No obstante, las situaciones varíanconsiderablemente y las limitaciones de accesotendrán una influencia importante en la secuen-cia de montaje de cualquier puente. En algunoscasos podrían determinar la forma del puente.Antes de pasar al proyecto detallado, se deberíaexaminar al menos un esquema de montaje ysus requisitos para ya incluirlo.

En algunas circunstancias, cuando elacceso desde abajo es difícil o imposible, quizássea apropiado el lanzamiento desde uno oambos extremos. Si es así, es probable que estotenga un efecto significativo en las disposicionesy detalles de las jácenas. Se debería pedir ase-soramiento a un contratista experimentado.

La estabilidad de las jácenas durante elmontaje y bajo el peso del hormigón con excesode agua tendrá un efecto importante en la mag-nitud y el arriostramiento del ala superior en laszonas del centro del vano. Quizás sea necesariosuministrar un arriostramiento curvo temporal acada una de las jácenas si son demasiado pesa-das para su montaje por pares.

Las uniones en la obra entre los perfilesde las vigas principales se efectúan frecuente-mente con tornillos de alta resistencia (TR). Lasuniones soldadas son más caras y resultan más

77

DISEÑO INICIAL DE PUENTES DE VIGAS...

más onerosas en el control de calidad en unpequeño trabajo, pero deben tenerse en cuentaen trabajos más grandes y cuando se quiera

garantizar un mejor aspecto. En todo el puentedebe adoptarse un método o el otro; es antieco-nómico utilizar ambos métodos.

78

4. DISEÑO INICIAL DE PUENTESDE VIGAS ARMADAS NO MIXTAS

4.1 Sección transversal del puente

La figura 6 muestra los tipos básicos desección transversal de los puentes de vigasarmadas no mixtas.

Si se requiere un canto mínimo de cons-trucción, ya sea por motivos estéticos o econó-micos, la sección transversal del tablero interme-dio, p. ej., figuras 6a, 6b, 6e y 6f, será la soluciónmás apropiada para puentes de carreteras, ferro-carriles o pasarelas. Estadisposición se usa fre-cuentemente en puentesde ferrocarriles, dondeincluso las pendientesmáximas admisibles deacceso al puente para lavía son muy pequeñas ydonde el canto de cons-trucción útil mínimo (figu-ra 2a) proporcionada porla disposición del tablerointermedio es importantepara minimizar el costede los trabajos de expla-nación y compra de tie-rras en los accesos alpuente. No obstante, laforma de tablero interme-dio sí que tiene importan-tes consecuencias parala estabilidad del ala acompresión. Estas con-secuencias se explicancon más detalle en elapartado 5.

Si el canto deconstrucción es ilimitado,entonces se puede consi-derar una sección trans-versal de tipo tablero,como se muestra en lafigura 6c. Sin embargo,

debe afirmarse que el uso de un tablero de jáce-na mixta de acero/hormigón es generalmentemucho más económico que la disposición detablero ortotrópico que aparece en la figura 6c.Solamente cuando el peso mínimo sea la consi-deración predominante de diseño, el tableroortotrópico será una solución atractiva.

Una disposición de tablero abierto deacero de emparrillado para una estructura deferrocarril da como resultado una sección-trans-versal como la que se muestra en la figura 6d ouna variante de ésta. No obstante, la forma detablero abierto ahora casi no se utiliza para lasnuevas estructuras de ferrocarril en Europa,especialmente debido a que se usa balasto en

79

DISEÑO INICIAL DE PUENTES DE VIGAS…

JácenaHormigón

(a) Disposición de tablero intermedio con vigas transversales mixtas

(b) Disposición de tablero intermedio con tablero de acero ortotrópico

(c) Vigas gemelas de alma llena con tablero de acero ortotrópico

(d) Vigas gemelas de alma llena con dos vigas actuando de raíles (poco común)

(e) Sección de pasarela peatonal de doble viga de alma llena

(f) Disposición de trabajo intermedio para pasarela peatonal

Viga transversal compuesta

Figura 6 Tipos básicos de puentes de vigas de alma llena

casi todas las modernas estructuras de ferroca-rriles y, por consiguiente, se requiere ciertaforma de tablero “cerrado” para la retención delbalasto. En esta disposición “abierta,” las vigasprincipales también actúan como traviesas. Unavariante, de la que se habla con más detalle enel apartado 5, es aquélla en la que los raílesestán sustentados sobre largueros longitudina-les, conectados rígidamente a travesaños resis-tentes a la flexión que se extienden entre las dosvigas principales. Para todos los tramos exceptolos más cortos, esta forma de construcción escasi seguro que exija alguna forma de arriostra-miento contraviento, ya que, a diferencia de loscasos anteriores, no existe chapa de tablero queproporcione un diafragma horizontal. Dichoarriostramiento estaría unido directamente a lasvigas principales.

4.2 Vigas principales

El uso de jácenas soldadas en lugar deperfiles de vigas laminadas para las dos vigasprincipales proporciona al proyectista la libertadde seleccionar la sección-transversal de jácenamás económica para la estructura. No obstante,cuando los tramos son relativamente cortos y/ola intensidad de las cargas no permanentes esbaja, están disponibles normalmente perfileslaminados de proporciones adecuadas.

Cuando se utilizan vigas principales decordones paralelos, es decir, cuando el cantoglobal de la jácena permanece aproximadamen-te constante en todo el tramo, se puede obtenerun aspecto más interesante mediante la intro-ducción de un grado perceptible de precomba-dura. El grado de precombadura que será acep-table visual y geométricamente en cualquiersituación particular depende de la naturaleza delpaso, p. ej., tráfico de carretera, ferrocarril o pea-tonal, y de la interacción de la forma estructuralcon su entorno.

Las vigas compuestas de canto variableofrecen bastantes más posibilidades para unaspecto final satisfactorio. Sin embargo, exigenclaramente el uso de perfiles soldados en lugarde perfiles de vigas laminadas. El aumento del

canto de la jácena en posiciones de apoyo inter-medio por medio de la introducción de una tablacurva (figura 5a) es un método para conseguircanto variable. No obstante, debería observarseque una disposición de tablero intermedio, com-binada con esta forma de viga principal reforza-da con ménsula, es imposible de realizar.

Una forma alternativa de jácena de cantovariable es una en la que el ala inferior perma-nece casi horizontal en el perfil final, mientrasque el ala superior está ligeramente curvada a lolargo del canto, existiendo un canto de jácenamáximo en el centro del vano del tramo central.En la figura 5b, podemos ver un ejemplo de estaforma, tomado de [1]. Esta disposición puedeusarse con facilidad conjuntamente con la formade tablero intermedio. Probablemente, es razo-nable concluir que una jácena de canto variablede este tipo ofrece un aspecto más satisfactorioen una configuración de tramos múltiples que enuna de tramo único.

Algunos perfiles de vigas laminadas y casitodas las vigas armadas de proporciones norma-les requieren cierta forma de rigidización delalma (o bien transversal o bien longitudinal, oambas). Las funciones de los diversos tipos derigidizadores se describen en la lección 10.4.3.La disposición de rigidizadores intermedios enlas caras exteriores expuestas de las jácenas amenudo se evita por motivos estéticos, aunquequizás existan pocas alternativas al suministrode rigidizadores de las estructuras de apoyo enambos lados del alma en las posiciones deapoyo.

Cuando los momentos flectores se incre-menten hasta el punto de que se requiera elrefuerzo local de las alas, este refuerzo puedeconseguirse por medio de la fijación de plata-bandas de ala.

4.3 Tablero

En la figura 6 se muestran tres formasbásicas de tablero [7]: ortotrópico (figura 6c),vigas de relleno modificado (o vigas transversa-les mixtas) (figura 6a) y el tipo de chapa de acero

80

(figura 6e). De estos tres tipos, el tablero ortotró-pico, aunque liviano, es el más caro, mientrasque la chapa de acero básico generalmente sóloes apropiada para su uso en las pasarelas. Loscostes de mantenimiento subsiguientes tambiénserán mayores para el tablero ortotrópico.

Cuando la acción de diafragma suminis-trada por un tablero ortotrópico o un tablero devigas de relleno modificadas se utiliza para pro-porcionar resistencia a las cargas transversales,p. ej., el viento, en el cálculo se debe tener encuenta cualquier tensión adicional resultante.

El uso de encofrado permanente en elcaso del tablero de vigas de relleno modifica-das o transversal mixta puede agilizar la cons-trucción. Esta posibilidad tiene una especialimportancia en la construcción o renovación depuentes sobre vías férreas o autopistas concu-rridas.

En la lección 18.3 se tratan otros aspectosde estos y otros tipos de tableros de puentes.

4.4 Predimensionado de la viga principalLos cálculos iniciales de las proporciones

de la viga principal se realizan generalmente deacuerdo con la experiencia o las reglas empíri-cas, tales como las que se ofrecen a continua-ción. Dichos cálculos de la magnitud de las jáce-nas permiten entonces unos mejores cálculos dela carga permanente de la estructura que se vaa calcular. En la lección 10.4.1 se proporcionauna orientación adicional sobre el dimensiona-miento de las vigas armadas.

Para los puentes de carreteras y ferroca-rriles, las proporciones habituales de las vigasprincipales (donde Lo es la longitud entre puntosde momento cero) son:

Canto global, h: Lo/18

≤ h ≤ Lo/12 (carretera)

Lo/10 ≤ h ≤ Lo/7 (ferrocarril)

anchura de ala, b: 0,25 h ≤ b ≤ 0,35 h

espesor de ala, tf: b/25 ≤ tf ≤ b/10

espesor de alma, tw: tw ≈ h/125

Estos valores deben considerarse comoindicativos solamente.

Suponiendo que el alma soporta aproxi-madamente el 20% del momento flector mayora-do, M, entonces puede determinarse una mejoraproximación del área de la sección transversaldel ala requerida a partir de:

aunque debe advertirse que el valor de σ utiliza-do dependerá de la longitud de pandeo de lajácena; por consiguiente, debe realizarse un cál-culo de σ que refleje el grado de arriostramientoque se suministra a la viga principal.

Entonces se llevan a cabo mejoras comoparte del proceso de diseño detallado, con el fin demaximizar la eficacia de la jácena, al tiempo que sesatisfacen otros criterios dinámicos, de estabilidad,de rigidización o de fatiga que puedan aplicarse.

Por lo que se refiere al coste final, frecuen-temente es más importante diseñar una jácenacon un factor de trabajo mínimo en lugar de conun tonelaje de acero mínimo (o al menos inclinarla balanza en esta dirección). Por ejemplo, loscostes de mano de obra relacionados con el tra-bajo de taller de los rigidizadores para una chapade alma delgada y muy rigidizada son a menudobastante mayores que el coste adicional del mate-rial asociado al suministro de un alma más grue-sa y menos rigidizada. La solución habitual con-siste generalmente en un equilibrio entre factor detrabajo mínimo y tonelaje mínimo.

AM

hf =⋅

0 8, ,σ

81

DISEÑO INICIAL DE PUENTES DE VIGAS…

5. ESTABILIDAD Y ARRIOSTRAMIENTO DE LAS JÁCENAS

5.1 Introducción

Las vigas armadas poseen una resisten-cia a la torsión muy baja y una relación muy altadel momento de inercia entre el eje mayor y eleje menor [1-3]. De este modo, cuando flexionansobre su eje mayor, tienen mucha tendencia auna inestabilidad lateral-torsional, figura 7a.Durante la construcción se debe proporcionar laadecuada resistencia a dicha inestabilidad.

En la estructura finalizada, generalmenteun ala es estabilizada por el tablero. Si el ala librede sujeciones está a compresión, el pandeo dis-torsional es un modo posible de agotamiento ydebe considerarse suficientemente en el diseño.

5.2 Puentes de vigasarmadas mixtasEn la figura 8 se resumen los

tipos de arriostramiento y otras for-mas de estructura transversal que fre-cuentemente tienen lugar en lospuentes de vigas armadas mixtas. Lafigura 9 muestra algunas disposicio-nes típicas de sistemas de arriostra-miento.

Dentro de un tramo, la formamás conveniente de estabilización delarriostramiento es el arriostramiento atorsión, figura 8a. Generalmente secolocan no menos de tres líneas dearriostramiento de este tipo en cadatramo, figuras 9a y b, que muestran dis-posiciones típicas. La conveniencia deeste tipo de arriostramiento se debeprincipalmente a la forma sencilla enque une dos jácenas en una infraes-tructura estable. Con adecuados equi-pos de grúas, esta infraestructurapuede ensamblarse sobre el suelo yelevarse hasta su posición mediante

82

Compresión

Compresión

Tracción

Tracción

(a) Pandeo por torsión lateral

(b) Pandeo distosional

Figura 7 Modos de inestabilidad de las vigas de alma llena

(a) Arriostramiento dentro del tramo

(b) Arriostramiento sobre los estribos y el pilar

(c) Vigas transversales sobre pilas

Figura 8 Tipos de estructura transversal para puentes mixtos de vigasde alma llena

una operación sencilla. Si se unen pares de jáce-nas de este modo, sus desplazamientos torsiona-les se suprimen y, por lo tanto, siempre que el sis-tema sea lo suficientemente rígido, se impidedurante la construcción el pandeo lateral-torsionalde todas las jácenas. En la estructura completa, lalosa de hormigón, que contiene el ala superior,impide cualquier inestabilidad por flexión positiva.Para las zonas próximas a las estructuras deapoyo interiores, que están sometidas a momen-tos negativos, el ala inferior sigue necesitandoarriostramiento (ahora frente al pandeo distorsio-nal en lugar del pandeo lateral-torsional). Estearriostramiento lo suministra eficazmente el arrios-tramiento contra la torsión. [Obsérvese que, paraestructuras de luz más pequeña, cuando se tienenen cuenta correctamente los efectos de carga decálculo, la longitud del ala inferior a compresión esgeneralmente tan corta que no se requiere unarriostramiento de este tipo para la estructura fina-lizada. Cuando el alma es una estructura en Uinvertida, de poco canto pero rígida, se pueden lle-var a cabo acciones para contribuir a una estabili-dad de momento negativo]. El método actual, por

lo general consiste simplemente enunir pares de jácenas, como se mues-tra en la figura 9a. La discontinuidad enel arriostramiento transversal garantizaque posee una baja distribución de fle-xión transversal global en la estructurafinalizada. Cuando se suministra unarriostramiento transversal completo,éste atrae cargas considerables, ytotalmente opuestas, hacia sí mismo yhacia los rigidizadores a los que estáunido. Dichos elementos son propen-sos, por lo tanto, a daños por fatiga.(En Norteamérica se han producidovarios fallos de este tipo). Cuando seemplea el arriostramiento temporal dis-continuo, se puede dejar tal como estásin peligro para la vida útil de la estruc-tura; si se adopta el arriostramientocontinuo, debe admitirse que tomaráparte de forma significativa en el com-portamiento estructural del puente aca-bado. Por lo tanto, debería diseñarseteniendo en cuenta la fatiga o bien sedebería eliminar después de la cons-trucción.

También se puede suministrar el arrios-tramiento del proyecto cerca del ala superiorpara la condición de montaje, figura 7a. No obs-tante, es probable que dificulte la construcciónde la losa y presenta unas ventajas insignifi-cantes a la hora de estabilizar las zonas demomentos negativos.

El arriostramiento del proyecto a vecespuede ser necesario, en la estructura finalizada,cerca del ala inferior, figura 8a. Se puede utilizarcerca de las estructuras de apoyo intermediaspara estabilizar el ala inferior a compresión.Quizás también sea necesario en estructurasmás importantes que puedan tener tendencia ainestabilidad aerodinámica. Una forma de impe-dir dicha inestabilidad (oscilación) es separar lasfrecuencias propias verticales y torsionales de laestructura. El arriostramiento del ala inferior,transformando eficazmente los pares de vigasarmadas en celdas, incrementa la resistencia ala torsión de manera suficiente como para lograrel efecto deseado.

83

ESTABILIDAD Y ARRIOSTRAMIENTO…

(a) Arriostramiento en K

Estas uniones distribuyen las cargas de viento entre todas las vigas, antes del hormigonado

(b) Arriostramiento en X

(c) Durmientes arriostrados en los estribos

Figura 9 Formas comunes de arriostramientos

En muchas estructuras de apoyo existenpilares independientes para cada jácena, figura8b, o todas las jácenas se asientan sobre unacruceta de la infraestructura. En dichos casos, serequiere el arriostramiento de la estructura deapoyo para:

• proporcionar sujeción torsional a lasjácenas

• transferir la fuerza del viento y otras fuer-zas transversales a las estructuras deapoyo y desde ahí a la infraestructura.

Cuando no sea posible proporcionar unapoyo directo a cada jácena longitudinal, comose muestra en la figura 8c, se requiere un trave-saño para transferir las reacciones verticales delas jácenas a las estructuras de apoyo. Esodesde luego también proporcionará las funcio-nes de arriostramiento descritas anteriormente.

5.3 Vigas armadas no mixtas

Cuando las vigas armadas soportan eltablero en o cerca del ala superior, como se indi-ca en las figuras 6c, d y e, las consideracionesson, en líneas generales, similares a las jácenasmixtas descritas en el apartado 5.2.

Sin embargo, las disposiciones de viga detablero inferior o de tablero intermedio de lasfiguras 6a, b y f no pueden adoptar ningunaforma de arriostramiento triangulado, puesto queeso obstaculizaría la función de los puentes. Eltablero generalmente puede diseñarse como unaviga laminada horizontal y proporciona embrida-do de traslación en su nivel, pero el ala alejadadel tablero sólo puede estabilizarse mediante laacción de una estructura en U.

El tipo de acción de la estructura en Upuede ser continuo o puntual, dependiendo dela forma de la estructura del tablero y de laesbeltez de las almas, como se muestra en la

figura 10. El grado de arriostramiento suminis-trado al ala de compresión depende directa-mente de los tres componentes principales dela estructura en U: la barra transversal, las dosalmas de la viga principal (incluido cualquierrigidizador vertical asociado) y sus uniones. Lalongitud de pandeo de un ala de compresiónarriostrada por la acción de una estructura en Use calcula generalmente recurriendo a la teoríade las vigas sobre cimientos elásticos [6], pro-porcionando las estructuras en U los apoyos deseparación.

84

(a) Estructura simple en U: momento positivo

Tablero de hormigón vertido in situ trabado al alma de las vigas por conectores de espiga

(b) Estructura en U contínua: momento positivo

(c) Estructura en U contínua: momento negativo

Figura 10 Tipos de estructura en U restringiendo el ala a compresión

6. DISEÑO DE DETALLE

La etapa del diseño de detalle confirma operfecciona el esbozo del proyecto realizado enla etapa inicial del proyecto. Se trata esencial-mente de un proceso de comprobación, en elque se aplica una gama completa de condicio-nes de carga a un modelo matemático, paragenerar un cálculo de fuerzas y tensiones en lasubicaciones críticas de la estructura. A continua-ción, estas fuerzas y tensiones se compruebanpara ver si cumplen los "buenos métodos" expre-sados en la normativa. El detalle del proceso decomprobación es lo bastante minucioso comopara permitir que se preparen planos de ejecu-ción, conjuntamente con un pliego de condicio-nes sobre la mano de obra y los materiales, asícomo del puente que se va a construir.

6.1 Análisis global

Se requiere un análisis global para esta-blecer las fuerzas y momentos máximos en laspartes críticas del puente, en las diversas condi-ciones de carga posibles. El análisis local de lalosa del tablero por lo general se trata de formaindependiente del análisis global; esto se descri-be en la lección 18.3.

Es ahora una práctica frecuente utilizar unanálisis por ordenador y se da por sentado queesta prestación esté a disposición del proyectis-ta. Se dispone de programas de una ampliagama de sofisticación y capacidades. La selec-ción del programa generalmente dependerá delos medios informáticos disponibles en la empre-sa del proyectista. No obstante, para una estruc-tura tan esencialmente sencilla como un puentede vigas y losas, por lo general serán suficientesprogramas bastante sencillos.

La base de los modelos informáticos másfrecuentemente usados es la analogía del empa-rrillado. En este modelo, la estructura es ideali-zada como cierto número de elementos de vigaslongitudinales y transversales en un único plano,conectados entre sí rígidamente en los nudos.Las vigas transversales pueden ser ortogonalesu oblicuas respecto a las vigas longitudinales.

Cada elemento de viga representa unasección mixta (p. ej., una viga principal con unalosa asociada) o bien una anchura de losa (p. ej.,un elemento transversal puede representar unaanchura de losa equivalente a la separación delos elementos transversales). La figura 11 mues-tra ejemplos de emparrillados típicos.

6.2 Acciones y combinaciones

Debido a que se utilizan muchas combina-ciones y coeficientes de ponderación en la valo-ración de las cargas del cálculo en varias seccio-nes principales, es habitual que cada carga seanalice por separado y sin coeficientes de pon-deración. Entonces, se realiza manualmente la

85

DISEÑO DE DETALLE

(a) Emparrillado ortogonal

(b) Emparrillado para tramos algo oblicuos (< 20o)

(c) Emparrillado para tramos muy oblicuos (>20o)

Figura 11 Emparrillados comunes

combinación de casos apropiados de carga pon-derada -generalmente mediante la presentaciónen forma de tabla- o, si el programa lo permite,como una presentación independiente de fuerzasponderadas combinadas. Puesto que se usanmuchos casos y coeficientes de carga indepen-dientes para incrementar las cifras totales, seaconseja que el proyectista incluya comprobacio-nes rutinarias (tales como totalizar las reaccio-nes) y que use una presentación en forma detabla de los resultados, con el fin de evitar erro-res. Las presentaciones gráficas y copias impre-sas facilitadas actualmente por el software deanálisis y de hoja de cálculo pueden recomen-darse también para comprobar los resultados.

El objeto del análisis es alcanzar efectosde cargas previstas para los diversos elementosde la estructura. Es necesario determinar laselección más rigurosa de cargas y combinacio-nes para cada elemento crítico. Los principalesefectos de cargas previstas que se deben calcu-lar incluyen los siguientes:

• Momento máximo con cizallamientocoexistente en la viga principal demayor carga: en el centro del vano;sobre el apoyo intermedio; y en las ubi-caciones de juntas.

• Cizallamiento máximo con momento coe-xistente en la viga principal de mayorcarga: en los apoyos; y en las juntas.

• Fuerzas máximas en el arriostramientotransversal en los apoyos (y en el arrios-tramiento intermedio, si interviene).

• Reacciones máximas y mínimas en lasestructuras de apoyo.

• Momentos transversales en la losa (quese han de combinar con los momentoslocales en la losa para el cálculo de laarmadura de la losa).

• Campo de fuerzas y momentos debidosa la carga de fatiga (para conectores ycualquier otro detalle soldado que senecesite comprobar).

Además, será necesario calcular los des-plazamientos y las rotaciones en las estructurasde apoyo.

Las flechas totales bajo cargas perma-nentes y superpuestas se deben calcular deforma que el proyectista pueda indicar las fle-chas de cargas en sus planos.

La selección de la jácena con mayorcarga puede realizarse generalmente mediantela inspección, al igual que la selección de losapoyos intermedios de mayor carga. Puedenusarse líneas de influencia para identificar lostramos cargados adecuados de máxima eficacia.Si las secciones transversales varían dentro delos tramos, o si los tramos son desiguales,entonces será necesario analizar más casospara determinar los efectos de las cargas en lospuntos de cambio o en cada tramo.

Los efectos de la temperatura diferencialy la retracción modificados por la fluencia secalculan en dos partes. La primera es una dis-tribución de las tensiones internas, asumiendoque la viga puede adoptar cualquier curvaturaque ésta produzca (efectos primarios). Lasegunda es un conjunto de momentos y cizalla-mientos necesarios para lograr la continuidaden diversos apoyos empotrados. Estos momen-tos y cizallamientos dan lugar a más tensionestangenciales y longitudinales (efectos secunda-rios).

6.3 Diseño de elementos y unionesEn las lecciones 10.4 se habla del diseño

detallado de las vigas armadas.

En la lección 18.11 y en las lecciones 13se expone el diseño detallado de las juntas yotras uniones.

6.4 Efectos característicos de las configuraciones de tablero abierto de emparrillado de acero

En los apartados 6.4.1 y 6.4.2 se descri-ben situaciones en las que surgen tensiones

86

adicionales en los largueros longitudinales ytravesaños, en las disposiciones de tableroabierto de emparrillado de acero. Mientras queel uso de este tipo de tablero ahora es poco fre-cuente en Europa por las razones expuestas enel apartado 4.1, no obstante esta forma deconstrucción pone de manifiesto dos aspectosque tienen importancia estructural y que ade-más sirven para ilustrar un principio estructuralmás amplio.

Se supone que las vigas principales longi-tudinales gemelas están conectadas por travesa-ños relativamente rígidos a intervalos apropia-dos; se da por sentado también que loslargueros longitudinales están conectados rígi-damente a estos travesaños. Para estructuras deferrocarriles de tipo tablero, los largueros estarí-an situados en la parte superior de la secciónpara actuar como traviesas. Esto entonces dalugar a un desequilibrio en los niveles de la líneaneutra entre las vigas principales y los largueros,figura 12.

6.4.1 Flexión de los largueros

En la sección transversal del tablero queaparece en la figura 12,

∆h representa la dife-rencia de nivel entre las líneas neutras de lasvigas principales y los largueros longitudinales.Las conexiones rígidas entre los largueros y lostravesaños garantizan que la curvatura de lasvigas principales también se impone sobre loslargueros. Si se expresan las curvaturas en tér-minos de M/EI para cada elemento y se pone enforma de ecuación, se obtiene:

donde

Mst es el momento flector en el larguero

Mmg es el momento flector en la viga principal

Ist es el momento de inercia del larguero

Img es el momento de inercia de la viga principal

Mst puede reducirse haciendo la unión final dellarguero al travesaño después de que el puentesoporte su propia carga permanente, garantizan-do así que Mst surge simplemente de los efectosde las cargas no permanentes.

6.4.2 Flexión alrededor del ejemenor del travesaño de borde

Supongamos que φ es el valor absolutode la rotación (en el plano de carga) de los extre-mos de las vigas principales en las estructurasde apoyo y que Iy es el momento de inercia de unala del travesaño con respecto al eje menor de lasección. Ignorando los efectos de segundoorden, las longitudes de la línea neutra de los lar-gueros no cambian (es decir, su acortamiento seconsidera insignificante). Entonces, la disposi-ción desplazada es como la que aparece en lafigura 13.

Este desplazamiento del extremo del alasuperior del travesaño, figura 13b, es aproxima-damente:

δ = ∆h φ

Ya que los largueros no experimentanacortamiento alguno, actúan como apoyos fijos

del ala del travesaño y como con-secuencia de esto, este ala sedeforma en su disposición.

El desplazamiento δ puedeconsiderarse como el resultadode la aplicación de una fuerzaperiférica F al ala, siendo la rela-ción fuerza-desplazamiento:

MII

Mstst

mgmg=

87

DISEÑO DE DETALLE

Línea neutra del larguero

Línea neutra de la viga principal

∆h

Figura 12 Tablero abierto de emparrillado de acero. Diferencia de nivel entrelas líneas neutras de los largueros y de las vigas principales

en la que a, d son las dimensiones indicadas enla figura 13a e Iy es el momento de inercia de unala del travesaño con respecto al eje menor de lasección del travesaño.

La tensión de flexión máxima en elala del travesaño que se deriva del efectoanterior es, por lo tanto:

donde b es la anchura de ala del travesaño.

Las tensiones de flexión resultantesen el ala no son insignificantes. Este hechose demuestra mediante un ejemplo en elque se consideran los siguientes valores:

∆h = 600 mm

φ = 0,003 rad

b = 300 mm

a = 1000 mm

d = 1500 mm

lo que da

Evidentemente, la tensión adicional desa-parece cuando ∆h = 0 y, aunque la reducción deb es beneficiosa, un espesor de ala variable enteoría no surte ningún efecto. Las reduccionesde las dimensiones a y d tienen un efecto adver-so.

σ = 52 2N mm/

σ φf

h b Ea a d

=+

32 3∆[ ]

δ = +

FaEI

a dEIy y

3 2

3 2

88

LargueroViga principal

Viga transversal

B

A

B

A

B

A

a

a

d

(a) Dimensiones en planta y deformación bajo una distribución uniforme de cargas

F

F

δ = ∆h φ

(b) Deformación del extremo de una viga transversal

Figura 13 Tablero abierto de emparrillado de acero. Esquemageneral y deformaciones

7. RESUMEN FINAL• Las vigas laminadas y armadas se utilizan

ampliamente para vanos de puentes entre20 y 100 m.

• Se han desarrollado varias formas de cons-trucción para satisfacer las necesidades espe-cíficas de los puentes de carreteras, ferrocarri-les y peatones. Las más frecuentes son:

Puentes de jácenas múltiples mixtas

Puentes de vigas gemelas mixtas con losaso travesaños reforzados

Puentes de vigas de tablero inferior o detablero intermedio.

• La experiencia ha definido campos limita-dos de planes de conjunto eficaces y eco-nómicos para cada uno de estos puentes.

• Se pueden utilizar reglas sencillas para elpredimensionado de la mayoría de lospuentes de vigas de alma llena.

• Las vigas armadas tienen tendencia al pan-deo lateral-torsional. Es necesario estabili-zarlas mediante la losa del tablero y/o elarriostramiento y/o el embridado de estruc-turas en U.

• Generalmente, el cálculo del puente se rea-liza como un emparrillado para el análisisglobal, con un análisis independiente de losmomentos locales del tablero.

• Se pueden definir detalles sencillos y prác-ticos para todas las partes de los puentesde vigas armadas, aumentando al máximosu economía y, por consiguiente, justifican-do su popularidad.

8. BIBLIOGRAFÍA

[1] Iles, D. C., Design Guide for SimplySupported Composite Bridges, SCI PublicationP084, 1991.

[2] Iles, D. C., Design Guide for ContinuousComposite Bridges 1: Compact Sections, 2ndEdition, SCI Publication P065, 1993.

[3] Iles, D. C., Design Guide for ContinuousComposite Bridges 2: Non-Compact Sections,2nd Edition, SCI Publication P066, 1993.

[4] Foucriat, J. C., Actual Trends in French RoadBridge Design, Int Symp. Bridges in Steel,ECCS, Paris 1992.

[5] Owens, G. W. and Knowles, P. R. (ed) TheSteel Designers Manual, 5th Edition 1992,Blackwell Scientific Publications, London.

[6] Hetényi, M., Beams of Elastic Foundations,University of Michigan Press 1946.

[7] Hambly, E. C., Bridge Deck Behaviour, Spon,London 1991.


1. International Symposium on Steel Bridges,ECCS 1988, London.

2. International Symposium Bridge Steel ECCS1992 Paris.

89

RESUEMN FINAL



91

93

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Esta lección proporciona informaciónsobre el diseño y los detalles de los puentes decelosías. Está destinada a ingenieros con ciertaexperiencia.



LECCIONES AFINES



RESUMEN

Se analiza la historia de los puentes decelosías y se describen diferentes configuracio-nes. Se presentan los principios de diseño, p. ej.,intervalos de los tramos, relaciones entre tramosy canto y disposición de las diagonales. Semuestran diferentes soluciones para cordones ydiagonales. El análisis de los puentes de celosíase aborda de forma general y se ofrecen reco-mendaciones sobre lo que se debe tener encuenta y lo que puede ignorarse.

1. INTRODUCCIÓN

Las configuraciones de lospuentes de vigas de celosía semuestran en la figura 1. En la cons-trucción actual casi nunca se utili-zan vigas de celosía descolgada.

Los puentes de celosía detablero inferior se utilizan cuando elgalibo de construcción está esta-blecido y es limitado, por ejemplo,cruces de líneas férreas.

Es inusual que las vigas decelosía de tablero inferior seanrentables para los puentes decarreteras, salvo en tramos muylargos. Con restricciones menosrigurosas en carreteras es muchomás fácil alcanzar la altura nece-saria para un puente de tablerosuperior que en un ferrocarril.

Por lo tanto, las vigas de celosía de table-ro superior tienden a usarse para carreteras,mientras que las vigas de celosías de tableroinferior se emplean aún para los ferrocarriles.

El principio de una viga de celosía es sen-cillo. La estructura se compone de cordonessuperiores e inferiores triangulados con diagona-les y/o montantes, de forma que cada barrasoporta una carga puramente axial. Se producenefectos adicionales, pero en una viga de celosíabien concebida tendrán un carácter secundario.

El momento global en una viga de celosíase soporta como compresión y tracción en los cor-dones, como se indica en la figura 2a. El cizalla-miento global se soporta como tracción o compre-sión en las barras diagonales y montantes. En elcaso simplificado, cuando las uniones se conside-ran como articuladas y las cargas se aplican enlos nudos, la carga no crea ningún momento de

flexión, cizallamiento ni torsión en ninguna barra.Las cargas aplicadas que produzcan flexión, ciza-llamiento o torsión generalmente dan como resul-tado un uso ineficaz del material.

El ahorro de material en comparación conuna viga armada es evidente. En una viga decelosía, las almas son fundamentalmente "aire",por lo tanto, menos peso y menos presión delviento.

Una viga de celosía puede ensamblarse apartir de pequeñas piezas de fácil manejo ytransporte y las uniones en la obra pueden ator-nillarse. Las vigas de celosía pueden presentaruna ventaja particular en aquellas regionesdonde el acceso a la obra es difícil o el suminis-tro de mano de obra cualificada es limitado. Laspiezas en buen estado de un puente de celosíapueden reutilizarse fácilmente después de unaccidente o de los efectos de una guerra.

94

(a) Viga de celosía colgante

(b) Viga de celosía de tablero intermedio (sección en U)

(c) Viga de celosía de tablero inferior

Figura 1 Configuraciones de puentes de vigas de celosías

95

INTRODUCCIÓN

C

C C

C C C

T T T

TT

(a) Viga Warren actual: luces 30-150 m T = Tracción C = Compresión

(b) y (c) Vigas Warren modificadas: luces 30-150 m: todavía se usan en puentes de ferrocarril

(b)

(c)

(d) Viga Pratt: luces 30-100 m

775 m

Río Danubio

(e) Viga Nagy en Budapest (1892)

(f) Viga reticulada: sólo de interés histórico

Figura 2 Tipos principales de vigas de celosía

2. DIFERENTES TIPOS DE VIGAS DE CELOSÍA

2.1 Antecedentes históricos

La viga de celosía como forma estructuralse remonta a la época romana. En el Panteón seutilizó una viga de celosía de bronce.

Estados Unidos puede reivindicar que enel siglo XIX creó la mayor cantidad de tipos devigas de celosía. El uso de madera y su entu-siasta espíritu de iniciativa dieron lugar a estruc-turas de aspecto insólito, pero, sin embargo, con-solidaron firmemente la viga de celosía como laforma ideal de puente de media luz en aquellaépoca.

Eiffel construyó cerchas de celosía enFrancia (figura 2f). Sin embargo,Fowler y Baker introdujeron unaimportante innovación al adoptarsecciones tubulares de acero comolas principales piezas comprimidasdel puente Forth, que es muy cono-cido en todo el mundo por su gran-diosidad. Los modernos puentes decelosía también emplean perfilestubulares para las piezas comprimi-das.

El arquitecto húngaro VirgilNagy construyó el muy estéticopuente de vigas de alma llena decelosía Ferenc Jozsef en Budapestsobre el Danubio en 1892. El puen-te está sustentado por vigas decelosía tipo Pratt de canto variable(figura 2e). El tramo central tieneuna longitud de 175 m, con unaparte central isostática de 47 m.

En la mayoría de los puentes,la viga Warren (con sus modificacio-nes) es quizás el tipo usado conmás frecuencia debido a su senci-llez. Los actuales costes de manode obra imponen un mínimo debarras y uniones.

2.2 Puentes de celosía para carreteras

Generalmente, se elige la configuraciónWarren, que se muestra en la figura 2. Cuando lalongitud del espacio que se va a cruzar hace ine-vitable el uso de un puente de tramos múltiples,es más barato y factible elevar el trazado de lacarretera y construir otro tipo de puente querequiera un mayor canto bajo el tablero.

Por esta razón, los puentes de celosíapara carreteras generalmente tienen sólo untramo (figura 3). Su aspecto se adapta muy biendesde el punto de vista estético para cruzarcanales en paisajes llanos.

Los tramos están, por lo general, entre 60y 120 m, que es el rango económico normal. Eltramo más largo era el del antiguo puente

96

Vigas de celosía

1m a 1,50m

Cordón superior (sección en cajón)

Diagonal

Tablero de hormigón

Cordón inferior

Sección transversal

Canal

Alzado

Figura 3 Puente de carretera de vigas de celosía

Neuwied sobre el Rin (212 m), que fue sustituidopor un puente de cables inclinados.

Normalmente, la relación entre tramo ycanto es de aproximadamente 15.

2.3 Elección de configuración de viga de celosía para puentes de ferrocarril

En la figura 1 se indican tres configuracio-nes básicas de puentes de celosía.

La configuración más económica depuente de celosía, especialmente para puentesde ferrocarriles, es la viga de celosía colgante,en la que la carga no permanente se produce alnivel del cordón superior. El cordón superiorentonces ejerce la doble función de apoyo parala carga no permanente (ya que las traviesas seasientan directamente sobre el cordón) y depieza comprimida principal. No obstante, existela desventaja de que se reduce el espacio librebajo el puente. Así, es frecuente que los tramosde acceso al puente sobre una planicie de inun-dación, o sobre partes navegables del río, esténsuspendidos, mientras que los canales de nave-gación se crucen mediante vigas de celosía detablero inferior.

Cuando los tramos son cortos, y no esposible el uso de vigas de celosía colgantes,quizás sea rentable colocar el cordón superiorpor debajo del nivel del gálibo de carga utili-zando vigas de celosías de tablero inferior-parcial. El arriostramiento entre los cordonessuperiores no es posible y el embridado a laspiezas comprimidas tiene que realizarsemediante estructuras en U. Sin embargo, paratramos en los que en otros tiempos se han uti-lizado vigas de celosía, los puentes de vigasarmadas son ahora muy competitivos, y actual-mente las vigas de celosías de tablero inferiorparcial casi nunca se usan para puentes deferrocarriles.

Cuando los tramos de los puentes deferrocarriles son largos, el canto es generalmen-

te lo bastante grande como para permitir que seproporcione arriostramiento sobre el nivel delgálibo de carga. Dichas vigas de celosías sedenominan "vigas de celosía de tablero inferior".El uso del material para arriostramiento, en lugarde para pórticos en U, es considerablementemás eficaz.

Para tramos más cortos, las opciones sonlas configuraciones Warren y Pratt. En la vigaWarren simple, las diagonales actúan alternati-vamente a compresión y tracción, mientras queen la viga Pratt, todas las diagonales están atracción y los montantes adoptan la compresión.

Para ocuparse de la pesada carga de lospuentes de ferrocarriles, los travesaños debenestar bastante juntos. Este requisito da lugar alas péndolas de la viga Warren modificada, quesubdividen el cordón inferior. El diseño económi-co del cordón comprimido superior da comoresultado una subdivisión con un pilar.

La mayoría de los puentes de celosíaconstan de un tramo, pero existen muchos ejem-plos de vigas de celosía continuas. La ventajainmediata sobre los esfuerzos de las barrascuando se emplea una estructura continua escontrarrestada hasta cierto punto por el aumen-to de los efectos de fatiga. En una viga de celo-sía simple, es frecuente que la fatiga sólo ejerzainfluencia sobre algunas de las diagonales.Generalmente, estas diagonales son las situa-das en el centro del vano, donde, en todo caso,se debe utilizar la sección más pequeña disponi-ble. Por contraste, la mayoría de las diagonalesde una viga de celosía continua y algunas de lasbarras de cordón pueden experimentar la fatiga,especialmente cuando se utiliza una estructurasoldada.

Incluso cuando las vigas de celosía conti-nuas demuestran ahorros en el uso de acero,quizás no sean económicas. En un puente de1700 m en India, el diseño alternativo de viga decelosía continua era aproximadamente un 5%más ligero que los tramos simples que se consi-deraban más económicos debido a la estandari-zación del detalle del trabajo de taller y el proce-dimiento de montaje.

97

DIFERENTES TIPOS DE VIGAS DE CELOSÍA

Debe advertirse aquí que lahipótesis de carga tiene un efectoconsiderable en la configuración de laviga de celosía. Por ejemplo, con unacarga combinada de carretera y raí-les, las vigas de celosías de dostableros pueden ser muy rentables.

2.4 Aplicaciones particulares• Como la carga permanente es

un factor dominante en lospuentes móviles, a menudo seconstruyen tramos articuladosutilizando vigas de alma llenade celosías de acero. La figu-ra 4a muestra un ejemplo deuna pieza posterior de unpuente de celosía móvil. Lamayoría de las uniones estánsoldadas a tope y regidas porconsideraciones de fatiga. Deeste tipo de puente ya no sehablará más en esta lección.Para obtener más informa-ción, véase la lección 2.6.2.

• Los puentes temporales parasoluciones de emergenciason casi siempre puentes decelosía, debido a su adapta-bilidad a diversos tramos ycondiciones de apoyo, p. ej.,Eiffel, Bailey, Arromanches,Callender-Hamilton, (véase lafigura 4b).

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Consola de suspensión del contrapeso (secciones en cajón)

Uniones atornilladas

(a) Ejemplo de puente móvil de celosía. Parte posterior del puente

(b) Puente temporal con fines de emergencia

Figura 4 Aplicaciones particulares de las vigas de celosía en la cons-trucción de puentes

3. PRINCIPIOS GENERALES DEL DISEÑO

3.1 Intervalo de tramos

En tramos de 60 m a 120 m para carrete-ras y de 30 m a 150 m para ferrocarriles, los tra-mos simples pueden resultar rentables cuandoexisten condiciones favorables.

Los tramos grandes que utilizan vigas decelosía en voladizo han alcanzado un tramo prin-cipal de 550 m. Las vigas de celosía tienen quecompetir con las vigas armadas en tramos máscortos, con las vigas en cajón en tramos mediosy con los puentes atirantados en tramos más lar-gos.

3.2 Relación entre tramo y canto

El valor óptimo de esta relación dependede la magnitud de la carga no permanente quedebe soportarse. Debería ser de alrededor de10, siendo mayor para el tráfico de carreterasque para el tráfico de ferrocarriles. Para unacarga de dos raíles la relación puede descenderhasta aproximadamente 7,5. Siempre se deberíahacer una comprobación del canto económicode un puente determinado.

3.3 Geometría

Para tramos cortos y medios, general-mente se considerará rentable utilizar cordonesparalelos para no aumentar los costes de traba-jo de taller y montaje. Sin embargo, para tramoscontinuos largos, a menudo se requiere unamayor altura en las pilas, figura 2e.

Los puentes de celosías oblicuos deberí-an evitarse en la medida de lo posible.

Se debe elegir un número par de divisio-nes para adaptarse a la configuración de diago-nales de una viga Pratt. Si se elige un númeroimpar, existirá una división central con diagona-les cruzadas. Esta disposición generalmente no

es conveniente, excepto quizás en el centro deun puente giratorio. Las diagonales deben estaren un ángulo entre 50

° y 60° en relación con lahorizontal.

Las tensiones secundarias deben evitarseen la medida de lo posible, garantizando que laslíneas neutras de todas las barras que se cruzanse encuentran en un único punto, en los planostanto horizontal como vertical. Esto no siempreserá posible, p. ej., los travesaños serán de ma-yor canto que el cordón inferior y las barras dearriostramiento pueden estar unidas sólo a un alade los cordones.

3.4 Calidad del acero

Se debe utilizar acero de calidad Fe 510para las barras principales, usándose calidad Fe430 o 360 únicamente para las barras que sopor-tan una carga insignificante, a menos que la vigade celosía tenga que fabricarse en un paísdonde no exista un suministro disponible demejor calidad. Para una viga de celosía diseña-da mediante el uso de acero de calidad Fe 510,la cantidad de acero de calidad Fe 430 o 360usada sería normalmente de un 7% mayor apro-ximadamente. Para tramos muy largos, las cali-dades superiores serán rentables, p. ej., el acerocalmado y templado o el acero procesado ter-momecánicamente, con un límite elástico de 500- 600 MPa, siempre que no predomine la fatiga.

3.5 Elementos de los cordonescomprimidosEstas barras deben ser tan cortas como

sea posible y se debe tener en cuenta un arrios-tramiento adicional si es rentable.

La longitud de pandeo para el pandeo enel plano de la viga de celosía normalmente no esla misma que para el pandeo fuera del plano deesta viga. Este efecto puede complicarse aúnmás en las vigas de celosías de tablero inferior,en las que se puede utilizar arriostramiento hori-zontal en los nudos centrales, así como en losnudos principales. Al formar la sección del cor-

99

PRINCIPIOS GENERALES DEL DISEÑO

dón comprimido, la disposición ideal del materialserá aquélla que presente una sección con unradio de giro tal que la relación entre la longitudde pandeo y el radio de giro sea la misma enambos planos. En otras palabras, es igual deprobable que la barra tienda a pandear tantohorizontal como verticalmente.

El Eurocódigo 3: Parte 1.1 [1] permitedeterminar mediante un análisis los coeficientesde longitud de pandeo de las barras del reticula-do. De lo contrario, se ofrecen valores modera-dos de 1,0 y 0,9. Sin embargo, ya que elEurocódigo 3: Parte 1 se aplica a edificios, queposeen vigas de celosías relativamente peque-ñas, en las que la economía absoluta de peso deacero no es esencial, se considera que estacláusula no es apropiada para puentes.La longitud de pandeo de las barras delas vigas de celosía de los puentes setrata en la Parte 2 del Eurocódigo 3 [2].Como ejemplo práctico, véase la tabla IIde BS5400 Parte 3 [3].

En el caso de puentes de tableroinferior parcial, el cordón superior estásustentado lateralmente en las diagonalesy se comporta como una barra comprimi-da apoyada sobre resortes. El método dedeterminación de su longitud de pandeose proporciona en los reglamentos apro-piados sobre puentes.

Es necesario elegir el canto de labarra de forma que las dimensiones de lachapa sean razonables. Si son demasia-do gruesas, el radio de giro será máspequeño de lo que sería si la mismasuperficie de acero se usara para formaruna barra más grande empleando chapasmás delgadas. Las chapas deben ser tandelgadas como sea posible, sin perderdemasiada superficie cuando se obtienela sección eficaz.

Las vigas de celosía con tramos dehasta 100 m aproximadamente poseen amenudo cordones de sección abierta,generalmente de sección en forma de“omega”, (véase la figura 5). Aquí a menu-

do es conveniente disponer los pilares verticales ylas barras comprimidas de forma que se introduz-can en la barra del cordón superior, proporcionan-do así un diafragma natural y además, por logeneral, evitando la necesidad de cartelas en losnudos alternos, aunque se necesitarán rellenos.

Para vigas de celosía con tramos superio-res a unos 100 m, los cordones generalmenteserán elementos cerrados en cajón, permitiendoasí obtener un buen rendimiento del materialdesde los puntos de vista económico y de con-servación.

Para tramos más cortos, se pueden usarocasionalmente perfiles laminados o perfileslaminados huecos.

100

(a) En dedal (i) (b) En dedal (ii)

(c) En cajón (d) Perfil laminado

(f) Perfil laminado hueco

Figura 5 Barras de cordones a compresión

Las ventajas y desventajas, así como lasobservaciones sobre el trabajo de taller, de lascinco configuraciones alternativas que se mues-tran en la figura 5 son:

a. Omega (i) La distorsión por el soldeo puedeconstituir un problema, aunque lasituación puede mejorarse en elala inferior mediante la adiciónde un cordón en ángulo de sella-do. Se recomienda realizar estoasí para evitar la corrosión.

Las soldaduras necesitan estarrebajadas a paño en las posi-ciones de las cartelas.

Se requieren presillas o rios-tras horizontales como arrios-tramientos locales.

b. Omega (ii) Más apropiada para la solda-dura automática que Omega(i). Requiere labra en los nudospara permitir la entrada demontantes y cartelas.

Por motivos de fatiga, manten-ga los bordes de soldadura delos cordones de sección trian-gular al menos a 10 mm de losbordes de las chapas.

Se necesitan presillas o rios-tras horizontales.

Procurar que la parte salientedel ala inferior sea lo bastanteancha como para permitir elacoplamiento directo del siste-ma lateral superior.

c. Cajón Proporciona una óptima resis-tencia al pandeo.

Proporciona un perfil bien defi-nido y un fácil mantenimiento.

No se requieren riostras hori-zontales.

El acceso para el montaje dediafragmas internos es difícil.

Se requieren cartelas adicio-nales para la sujeción de late-rales superiores.

d. Perfiles Propensos a retener polvo y Laminados desechos.

Se necesita relleno en las unio-nes, ya que los cantos de sec-ción nominal varían ligeramente.

e. Perfiles En las cartelas se forman fisu-Laminados ras a menos que se tomen pre-Huecos cauciones especiales.

3.6 Elementos de cordón a tracciónLas barras traccionadas deben ser tan

compactas como sea posible, pero los cantostienen que ser lo bastante grandes como paraproporcionar un espacio adecuado a los tornillosen las posiciones de las cartelas. La anchurafuera del plano de la viga de celosía debe ser lamisma que la de los montantes y las diagonales,de forma que se puedan suministrar cartelas derecubrimiento simple sin necesidad de relleno.

Debería ser posible obtener una secciónneta de aproximadamente el 85% de la secciónbruta mediante una minuciosa disposición de lostornillos en las uniones. Esto significa que larotura en la sección neta no determinará las cali-dades de acero frecuentes.

Al igual que las barras comprimidas, losperfiles tubulares son preferibles para la facilidadde mantenimiento, pero las secciones abiertaspueden resultar más baratas.

En la figura 6 se muestran cuatro configu-raciones alternativas. Sus ventajas y desventa-jas son:

a. Cajón La distorsión por el soldeo qui-Abierto zás sea un problema, pero

101


podría solucionarse añadiendocordones de sección triangularde sellado en las esquinas. Lassoldaduras necesitan estarrebajadas a paño en las posi-ciones de las cartelas.


b. Cajón Proporciona un perfil bien defi-cerrado nido y una fácil conservación. No

se requieren chapas de fondo. Elacceso para el montaje de dia-fragmas internos es difícil.

c. Perfil Propensos a retener polvo yLaminado desechos. Se necesita relleno

en las uniones.

d. Perfiles En las cartelas se forman fisu-Laminados ras a menos que se tomen pre-Huecos cauciones especiales.

3.7 Elementos verticales y diagonalesEstas barras deben tener todas la misma

anchura normal al plano de la viga de celosía,para permitir que se adapten al ras de, o seacanalen dentro, del cordón superior(donde se utiliza la sección en forma deomega) y que se adapten al ras del cordóninferior. No obstante, la anchura de las dia-gonales en el plano de la viga de celosíadebe reducirse fuera de las estructuras deapoyo en unos 75 mm por panel. Estareducción puede significar que algunasbarras soportan una tensión inferior. Confrecuencia es posible usar perfiles lamina-dos, especialmente en las barras ligera-mente cargadas, pero probablemente senecesitarán rellenos para admitir los már-genes de laminación. Este hecho puedehacer que las barras soldadas sean máseconómicas, especialmente en las vigasde celosías más largas, donde la opera-ción de relleno podría añadir una cantidadsignificativa al coste de montaje.

Desde el punto de vista estético, es con-veniente disponer todas las diagonales con elmismo ángulo, aun cuando los cordones no seanparalelos. Esta disposición impide que la viga decelosía tenga un aspecto excesivamente com-plejo cuando se observa desde un ángulo. Noobstante, en la práctica esto se invalida debido ala economía de la estructura del tablero, dondese prefiere una longitud constante en cada seg-mento.

En la figura 7 aparecen cinco configura-ciones alternativas. Sus ventajas y desventajasson:

a. Cajón Las soldaduras de penetraciónAbierto (i) parcial son caras y la alternativa

(ii) podría resultar más barata.


b. Cajón Las soldaduras en ángulo con-Abierto (ii) tinuas o por puntos pueden

realizarse simultáneamente.Las soldaduras por puntos sólodeberían usarse en los puen-tes cuando la corrosión no esun problema significativo.

102

(a) En cajón abierto (b) En cajón

(c) Perfil laminado (d) Perfil laminado hueco

Figura 6 Barras de cordones a tracción


c. Perfil No se recomienda para diago-armado I nales de extremo, ya que actúa

como un conducto de aguahacia las estructuras de apoyo.

d. Perfiles Se necesita relleno en las Laminados uniones, ya que los cantos de

sección nominal varían ligera-mente.

e. Perfiles En las cartelas se forman fisu-Laminados ras a menos que se tomen pre-

Huecos cauciones especiales.

3.8 Conservación

Al igual que en cualquier diseño estruc-tural, los problemas que puede afrontar elequipo de mantenimiento deben valorarsecompletamente. Los problemas pueden sernumerosos, pero un buen diseño evitará lamayoría de las dificultades frecuentes. Porejemplo:

Agua Procurar que no entre agua,pero siempre téngase encuenta que va a entrar y hayque buscar la forma de darlesalida. Deberían utilizarsesecciones “herméticas”, conun orificio de drenaje en elpunto más bajo.

Suciedad Procure no permitir la entra-y desechos da de suciedad y desechos,

recordando que el viento y lalluvia los introducirán.

Pintura Recuerde que, si el acceso esdifícil, no se pintará el puente oal menos sólo un poco y proba-blemente no se inspeccionará.Los perfiles tubulares facilitanel pintado, pero los perfileslaminados huecos dejan fisurasdesagradables en las posicio-nes de las cartelas, a menosque se suelden las uniones.

Aves ¡Las aves anidarán y se posa-rán en los lugares más insóli-tos!

103


(a) En cajón abierto (i) (b) En cajón abierto (ii)

(c) Viga compuesta (d) Perfiles laminados

(e) Perfil laminado hueco

Figura 7 Barras verticales y diagonales

4. ARRIOSTRAMIENTO LATERAL

A menos que se proporcione un tableroortotrópico o de hormigón, el arriostramiento delos largueros, las jácenas de frenado y el arrios-tramiento lateral de los cordones son necesariospara transmitir las cargas no permanentes longi-tudinales y las cargas del viento y/o los terremo-tos a las estructuras de apoyo y también paraimpedir el pandeo de los cordones comprimidos.Cuando se utiliza un tablero macizo, se debetener en cuenta la interacción entre el tablero ylas vigas de celosía.

En cuanto al arriostramiento lateral de loscordones, cuando se adopte un sistema del tipo“cruz de San Andrés”, como se muestra en lafigura 8a, los nudos del sistema lateral coincidi-rán con los nudos de las vigas principales.Tendrá lugar una interacción que se debe teneren cuenta. Como resultado de esta interacción,el sistema lateral puede soportar hasta el 6% dela carga axial total de los cordones.

En la figura 8b se puede ver el sistemalateral en su forma original y en su modo defor-mado después de que se aplican cargas de com-presión axial a los cordones. Debido al acorta-miento de las barras de cordón ac y bd, elrectángulo se deforma como se indica mediantelas líneas de puntos, provocando tensiones decompresión en las diagonales y tensiones detracción en las barras transversales. Las barrasde presillas transversales son indispensablespara el correcto rendimiento del sistema dearriostramiento transversal en cruz de SanAndrés.

La interacción puede reducirse significati-vamente mediante el uso de un sistema de “dia-mante” de arriostramiento lateral, en el que losnudos del sistema lateral tienen lugar a mitad decamino entre los nudos de las vigas principales,figura 8c. Con esta disposición, se produce una“acción de tijera” cuando los cordones recibentensión, y los cordones se desvían lateralmenteun poco en los nudos del sistema lateral.

En el modo de pandeo principal de un sis-tema de arriostramiento lateral de “diamante”,

una mitad de los diamantes poseen sus propiasbarras a tracción (véase la figura 9).

Para los puentes de ferrocarriles, la figura10 ilustra un sistema lateral económico a niveldel tablero, que consta de una única barra simpleque funciona también como parte de la jácenade frenado. Las jácenas adicionales contribuyena resistir los esfuerzos de frenado procedentesde los trenes.

Las cargas del viento sobre las diagona-les y los montantes pueden dividirse equitativa-mente entre los sistemas laterales superior einferior. Los pórticos del extremo (ya sean diago-nales o montantes) entonces tienen que soportarla carga aplicada al cordón superior y que se diri-ge hacia abajo, al cordón inferior.

Evidentemente, cuando sólo existe un sis-tema lateral (como en las vigas de celosía col-

104

(a) Sistema de cruz de S. Andrés

(b) Modo deformado de (a)

(c) Sistema de diamante

c a

d b

Figura 8 Arriostramiento lateral de los cordones superiores

gantes o de tablero inferior parcial), entonceseste único sistema debe soportar toda la cargadel viento.

Además de resistir las cargas transversa-les aplicadas externamente, debidas al viento,etc., el arriostramiento lateral estabiliza el cordóncomprimido. El arriostramiento lateral garantiza

que se obtienen longitudes de pandeo relativa-mente pequeñas para las barras del reticulado.También se requiere arriostramiento lateral localen todos los "retorcimientos" de los cordonescuando se inducen cargas de compresión hacialas barras del alma con independencia de si elcordón está a tracción o compresión debido alcambio de dirección angular del cordón.

105

ARRIOSTRAMIENTO LATERAL

Planta: cordones superiores Nota: Por razones de claridad, las almas y los cordones superiores con

su arriostramiento lateral se presentan con líneas sólidas

Figura 9 Modo de pandeo de un "sistema de diamante" usado como arriostramiento lateral de los cordones posteriores

5. ANÁLISIS

5.1 Efectos de las cargas globales

Generalmente, las vigas de celosía tienenuniones rígidas. Las tensiones secundarias debi-das a la rigidez de las uniones y a la deformaciónde las vigas de celosía pueden ignorarse en lacomprobación de estado límite último. Debentenerse en cuenta cuando se requiere la com-probación para el estado límite de servicio y encuanto a la fatiga. Sin embargo, estos efectossecundarios son generalmente insignificantes.

La comprobación para el estado límite deservicio no es necesaria para las barras a trac-ción o para algunas barras comprimidas esbel-tas. Cuando no es necesaria, el método manualtradicional de análisis de vigas de celosía quetiene en cuenta articulaciones de pivote es ade-cuado para el análisis global.

Los análisis por ordenador pueden teneren cuenta la rigidez de las uniones y entonceslos momentos secundarios se determinan auto-máticamente. Los efectos de las cargas axialesprimarias y los momentos secundarios se combi-nan mediante el uso de fórmulas de interacciónapropiadas.

En una viga de celosía hiperestática, tie-nen que considerarse los efectos de la tempera-tura. Generalmente no son significativos.

5.2 Efectos de las cargas locales

i. Cargas no aplicadas en las unionesde las vigas de celosía

Se deben tener en cuenta dos tiposde efectos de cargas locales:

a. Aquéllos debidos a cargas aplica-das en el plano de la viga de celo-sía, lejos de una unión. Un ejem-plo típico de este tipo de carga esel cordón superior de un puente

de ferrocarril suspendido, dondelas traviesas descansan directa-mente sobre el ala superior delcordón.

b. Cargas excéntricas que no esténen el plano de la viga de celosía,tales como cargas procedentes detravesaños.

ii. Excentricidades en las uniones

Deben tenerse en cuenta las tensio-nes de flexión debidas a cualquierexcentricidad en las uniones, com-partiendo los momentos debidos aexcentricidad entre las barras queconfluyen en las uniones en propor-ción a su resistencia a la rotación. Encuanto a las vigas principales, losejes baricéntricos de todas las barrasdeben encontrarse en un punto cuan-do sea posible. El único caso en elque es inevitable un pequeño gradode excentricidad es cuando se utili-zan secciones en forma de “omega”asimétricas y entonces no es posibleque los ejes baricéntricos de barrasadyacentes de diferentes magnitudessean colineales.

Donde sea posible, los ejes de los sis-temas laterales deben estar en losmismos planos que los de los cordo-nes de la viga de celosía. No obstan-te, algunas veces los laterales supe-riores de una viga de celosía detablero inferior tienen que conectarseal ala superior del cordón superior,siendo inevitable la excentricidad.Puesto que las cargas en los sistemaslaterales superiores son generalmentepequeñas, las tensiones resultantesadicionales son insignificantes. Demodo similar, en algunos puentes detablero inferior, los laterales inferiorestienen que conectarse al ala inferiordel cordón inferior para evitar los tra-vesaños y largueros.

106

6. UNIONES

6.1 Generalidades

Las principales uniones de las vigas de unpuente tienen lugar en los nudos de las vigas decelosía, donde las barras de alma se conectan alas barras de cordón. Por lo general, esta cone-xión incorpora un empalme en la barra de cordóny a veces también en una o ambas conexionessecundarias de las vigas de celosía que la unenal travesaño y al sistema lateral.

Por motivos de economía y rapidez demontaje, las uniones en la obra se pueden reali-zar mediante tornillos de apriete por fricción dealta resistencia. Es difícil conseguir unas buenassoldaduras en obra cuando el acceso es compli-cado y la durabilidad a la fatiga de las unionessoldadas es inferior a la de las uniones atornilla-das.

Sin embargo, en varios países, ahora lasconexiones suelen soldarse a tope en la obra. Lafigura 11 muestra diferentes formas geométricasde cartelas que se utilizan para obtener durabilidaden vista de los efectos predominantes de la fatiga.

Cuando se coloca una losa de hormigónque sirve de apoyo a la carretera o a la víaférrea, las fuerzas horizontales originadas por laretracción del hormigón deben tenerse en cuen-ta en el cálculo de las uniones de unión de loscordones inferiores.

6.2 Uniones de vigas de celosía

En los nudos de una viga de celosía, dondelas barras de alma están conectadas a los cordo-nes, existe un cambio de carga en el cordón querequiere un cambio en el área de su sección-trans-versal. El nudo es, por consiguiente, el punto en elque existe una unión en el cordón, además de serel punto de unión de las barras de alma.

Las barras de alma están conectadas alos cordones por medio de chapas de unión ver-ticales. Generalmente, se atornillan a las almas

de los cordones y las barras de alma se adaptanentre ellas (figura 12a).

La unión de los cordones se efectúamediante el uso de platabandas. Deberían estardispuestas, respecto a la sección transversal dela barra, de tal forma que transfieran la cargaproporcionalmente a las partes respectivas de lasección (figura 12b). Las chapas de unión for-man las platabandas del alma externas. Puestoque actúan con la doble función de cubrejuntas yconector del alma, esto se tiene en cuenta en suespesor. La unión se ha calculado para soportarla carga coexistente en el cordón de menorcarga más la componente horizontal de la cargaen la diagonal adyacente. La carga de la otra dia-gonal se transfiere al cordón de mayor carga úni-camente a través de las cartelas. En los cordo-nes comprimidos que tienen en contacto losextremos colindantes de ajuste, la carga de com-presión que se va a soportar mediante los extre-mos colindantes del empalme se ha diseñadopara una menor cantidad de compresión.

Algunas veces la cartela se forma soldan-do en el taller una chapa de figura más gruesa alcordón en lugar de al alma del cordón. Las barrasde alma son todas más estrechas que los cordo-nes y el empalme de los cordones se rebaja delnudo. Se produce una ventaja en el montaje, yaque las conexiones del alma se pueden realizarantes de que se monte el siguiente cordón.

En las uniones de todas las barras y ele-mentos traccionados, se debe tener cuidado enla disposición de los taladros de tornillos, paragarantizar que el área de sección neta crítica dela sección no sea tan pequeña que predomine larotura. Si es necesario, la alternancia de las líne-as de tornillos contribuye a aumentar el áreaneta efectiva. Recuerde que la sección neta crí-tica está generalmente en los extremos de lasección o el centro de los cubrejuntas y que enotro lugar una cantidad de la carga se ha trans-ferido a las demás partes de la unión y se pue-den añadir más taladros para tornillos.

Las uniones de las barras de alma a lascartelas son bastante sencillas y raramente serequiere un tratamiento especial, tal como el uso

107

CONEXIONES

108

Alzado

Alzado parcial del tramo

12 m

Sección

Planta de arriostramiento lateral superior

Planta de arriostramiento lateral inferior

Vigas rigidizadoras contra las fuerzas de frenado

90 m

Figura 10 Disposición general de un puente de tablero inferior para ferrocarril

de angulares de unión. A la hora deconectar secciones huecas rectangula-res, el método mostrado en la figura 12des preferible al de la figura 12c.

Los bordes sin apoyo de las carte-las deben ser de tal forma que la distan-cia entre las uniones no exceda unas 50veces el espesor de la chapa de unión(figura 12a). Si esto es inevitable, elborde debe rigidizarse.

6.3 Uniones de los travesañosSon bastante sencillas. Las 2 o 4

filas de tornillos en la placa del extremode los travesaños se hacen de tal formaque se correspondan con las filas centra-les equivalentes de tornillos de la cartela.Se requieren forros de chapas de rellenoque tengan en cuenta la diferencia decanto de las cartelas y los travesaños(figura 12e).

6.4 Uniones de arriostramiento lateralComo se recomienda en 5.2(ii),

los ejes de los sistemas laterales deben

109

CONEXIONES

Cordón superior

Sección en cajón

Diagonal

Cartela

Sección en cajón Sección soldada ó perfil laminado, en

Figura 11 Uniones soldadas a tope y geometría adecuada de las cartelas para evitar la fatiga

(a)(b)

(c) (d)

(e)

(f)

A

ASección transveral

A-A

Figura 12 Uniones atornilladas

estar en los mismos planos que los de los cor-dones de las vigas de celosía. Este requisito secumple en 2 de los 3 tipos de barras y unioneslaterales que se describen a continuación:

i. Para tramos largos y medios, lasbarras laterales con frecuencia sehacen de dos perfiles laminados en U,conectados mediante riostra horizon-tal para ofrecer un canto global, igualque los cordones. Se conectan a loscordones mediante cartelas atornilla-das a las alas de los cordones, exac-tamente de la misma forma que lasbarras de alma principales se conec-tan a las cartelas de unión principales.

ii. Para los tramos medios, con frecuen-cia son ideales los laterales que están

formados por dos perfiles angulareslaminados, dispuestos vértice a vérti-ce en forma de “estrella” y con presi-llas intermedias. Están conectados alos cordones mediante cartelas situa-das en el eje de los cordones (figura12f). Obsérvese que los perfiles angu-lares “ala contra ala”, pero separadospor un pequeño espacio, no se debe-rían usar nunca, debido a los proble-mas de conservación.

iii. En los tramos cortos los laterales sen-cillos a menudo son suficientes.Pueden estar conectados por mediode una cartela al ala del cordón supe-rior o inferior, ya que los momentosdebidos a excentricidad son peque-ños.

110

7. RESUMEN FINAL

• Las vigas de celosía se pueden ensamblara partir de pequeñas piezas y son especial-mente ventajosas cuando el acceso a laobra es difícil.

• Haga que la configuración sea simple, utili-zando un mínimo de barras y uniones.

• Para puentes largos, las vigas de celosía con-tinuas pueden ser la solución económica,pero recuerde que un menor peso del acerono significa necesariamente un menor coste.

• Deben considerarse los efectos de la fatiga,especialmente en vigas de celosía continuas.

• Las vigas de celosía pueden ser rentablespara tramos de 30 m a 200 m.

• Evite la excentricidad de la carga y las unio-nes para reducir las tensiones secundarias.

• La configuración de las barras y una cuida-dosa disposición de los tornillos en losempalmes son especialmente importantes.

• En caso de uniones soldadas, utilice sola-mente uniones soldadas a tope, con el finde evitar los efectos de la fatiga. La pene-tración de la soldadura debe ser completa.

• Evite las áreas de corrosión potenciales.¡Recuerde que las aves anidarán y se posa-rán en los lugares más insólitos!

• Seleccione un sistema lateral no participante.

8. BIBLIOGRAFÍA

[1] Eurocode 3: “Design of Steel Structures”:ENV 1993-1-1: Part 1.1 General Principles andRules for Buildings, CEN, 1992.

[2] Eurocode 3: “Design of Steel Structures”:Part 2: Bridges and Plated Structures.

[3] BS5400: “Steel, Concrete and CompositeBridges”, Part 3: 1982: Code of Practice forDesign of Steel Bridges, British StandardsInstitute, London.


1. Roberts, G., Kerensky, O.A., “AucklandHarbour Bridge, New Zealand Design”, Paper6528, ICE Proc., Vol 18, April 1961, pp. 423-458.

2. Turley, S., Savarkar, S.G., Williams, J., Tweed,R.J.C., “Design, Fabrication and Erection ofGanja Bridge, Mokameh, India”, Paper 6425,Proc. ICE, Vol. 15, March 1960, pp. 231-254.

3. ayfield, P., Taylor, G., McIlroy, P., King, C.,Casebourne, M., “Tyne and Wear Metro: BridgeN106 over the River Tyne”. Paper 8205, ICEProc, Vol. 66, Part 1, May 1979, pp. 169-189.

111

RESUMEN FINAL



113

115

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Esta lección proporciona informaciónsobre detalles y características específicas delos puentes de vigas en cajón. La lección estádestinada a ingenieros con cierta capacita-ción.


Lección 10.5.1: Diseño de Vigas Cajón

Lección 10.5.2: Métodos Avanzados paraPuentes de Vigas Cajón

LECCIONES AFINES





Lección 18.12: Introducción a la Cons-trucción de Puentes

RESUMEN

Se expone brevemente la historia de lospuentes de vigas en cajón. Se habla de su con-cepción general, examinando el intervalo de tra-mos para el que resulta económico, la relaciónentre tramo y canto, el diseño de la sección trans-versal y la selección de la clase de acero. Se estu-dian los detalles críticos. Se resumen los métodosde cálculo, en relación con los tratamientos másdetallados de las lecciones 10. Se exponen méto-dos de montaje y la lección concluye con un resu-men de lo que es necesario aprender de los fallosde los cajones de la década de los años 70.

1. HISTORIA

La nomenclatura de loselementos estructurales de unaviga en cajón de acero se ofreceen la figura 1, que muestra, porejemplo, una viga en cajón mono-celular con un tablero de hormi-gón compuesto.

Hasta 1940 las posibilida-des estructurales de las vigas encajón eran limitadas; las estructu-ras tenían que ensamblarse apartir de perfiles laminados, cha-pas y uniones roblonadas.

A pesar de estas limitacio-nes, la primera viga en cajón, ladel puente Britania (1850), con

tramos principales de 152 m, figura 2, sirviócomo modelo de lo que se podía conseguir conun diseño innovador.

El concepto básico del uso de seccioneshuecas sólo se repitió alguna que otra vez con laconstrucción roblonada.

• El puente Britania se imitó solamenteuna vez; en América. Una viga en cajónutiliza más material que una viga decelosía y en aquella época el materialera mucho más caro que la mano deobra.

• Las barras tubulares del puente delEstuario de Forth (1890) constituyeronuna segunda excepción.

• El puente de ferrocarril que cruza elOude Maas, Dordrecht, en los PaísesBajos, posee diagonales tubularesroblonadas. Aquí surgió un problema decorrosión. Los cajones roblonados noson completamente estancos al agua.Se condensó aire húmedo, absorbido, yse acumuló agua en la parte inferior.

Nota: Un mecanismo similar podría pro-

116

Arriostramiento transversal

≈ 2,5 h

l

Tablero del puente = Ala superior

Arriostramiento transversal

Rigidizador

Alma

Ala inferior

h

Figura 1 Puente de viga en cajón con tablero mixto de hormigón: nomenclatura

Figura 2 Puente Britannia, 1850

ducirse debido a la porosidad de las solda-duras de un solo cordón, p. ej., en los table-ros inferiores de los tableros ortotrópicos. Noobstante, no se suele utilizar un cordóndoble. La porosidad se admite como tal.

Con el desarrollo de la soldaduraeléctrica y la precisión del oxicorte, las posi-bilidades estructurales aumentaron enorme-mente. Ahora es posible diseñar grandesunidades soldadas de forma más económi-ca, p. ej., vigas en cajón, utilizando técnicassimilares a las de la construcción naval.

Una viga en cajón consta de:

• un tablero de hormigón o de aceroortotrópico como ala superior y,algunas veces, una combinación delos dos,

• una chapa rigidizada o un arriostra-miento como ala inferior,

• almas, verticales o inclinadas,

• diafragmas o arriostramientos poco fle-xibles en los apoyos, así como arriostra-mientos transversales más ligeros entrelos apoyos, a distancias de aproximada-mente 2,5 veces el canto de construc-ción, (figura 1).

Esta sección transversal básica puedeencontrarse actualmente en muchos puentes:

Su gran resistencia a la torsión hace queuna viga en cajón sea una solución especial-mente apropiada cuando el puente es curvo enel plano horizontal, (figuras 3a y 3b). Muchospuentes de carreteras europeas pueden servircomo ejemplos. Entonces es posible el lanza-miento como método de montaje siempre que lacurvatura sea constante.

En las secciones transversales amplias, elcajón a veces se subdivide en celdas, (figura 4a).En dichas estructuras el ala inferior no es muyeficaz.

Las alternativas son:

117

HISTORIA

P1

P2

C0

P3C4

Autovía existente

4 vigas de alma llena

Figura 3a Puentes de vigas de alma llena

P1

P2

C0

P3

C4

Autovía existente

1 viga en cajón

Viga central en cajón con consolas en voladizo

El puente de viga en cajón es, en este caso, menos caro y de mejor apariencia que un puente de vigas de alma llena y se evitan los alineamientos oblicuos de los arriostramientos

Figura 3b Puentes de viga en cajón

• El cajón de tres celdas se sustituye por:dos celdas en la parte exterior, una“celda” central, formada por riostras queconectan dos celdas exteriores y empa-rrillados como chapa de tablero, (figura4b).

• Varios cajones más pequeños indepen-dientes, (figura 4c). La ventaja es el alainferior más pequeña; una desventajaes un mayor número de almas menoseficaces y la pérdida de una gran canti-dad de resistencia a la torsión.

• El último paso es obvio. la sustitución deestos cajones independientes por vigasI soldadas, (figura 4d).

El refuerzo y ensanchamiento de lospuentes existentes es un problema que siemprese repite. Debido a su naturaleza, una viga encajón ofrece excelentes oportunidades dearmadura mediante el pretensado o por mediode chapas adicionales soldadas a las alas infe-riores.

Hasta ahora sólo se ha hablado de vigasen cajón “cerradas”. No obstante, durante muchotiempo se ha conocido una forma de estructurade gran resistencia a la torsión: la viga de celo-sía tridimensional. Las vigas de rigidez demuchos puentes colgantes primitivos a veces sehacían con una “viga en cajón”, en la que dos,tres o todos los muros estaban formados porvigas de celosía planas.

118

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4 Tipos de sección transversal

2. PRINCIPIOS GENERALES DE DISEÑO

2.1 Tramo

Las vigas en cajón son apropiadas paratramos más largos que las jácenas en I y permi-ten mayores relaciones entre tramo y canto. Loslímites de competitividad pueden variar debido alas condiciones locales del mercado.

Las vigas en cajón de acero o mixtas deacero-hormigón generalmente son más carasque las vigas armadas, puesto que requierenmás tiempo de trabajo de taller. Sin embargo,presentan varias ventajas sobre las vigasarmadas que hacen que su uso sea interesan-te:

• elevada resistencia a la torsión: En lasvigas en cajón cerradas, el momento de torsiónes soportado principalmente por tensiones tan-genciales de Saint Venant, porque la resisten-cia a la torsión de Saint Venant es normalmen-te mucho mayor que la resistencia al alabeopor torsión. Para tramos muy curvos, estaresistencia de las vigas en cajón es práctica-mente esencial durante su construcción, asícomo bajo cargas de servicio. Todas las vigasen cajón de acero proporcionan resistencia a latorsión durante su montaje. Las vigas en cajónmixtas sólo alcanzan su resistencia a la torsióndespués del hormigonado. Durante el montajey el hormigonado, quizás requieran un arrios-tramiento temporal caro, que además puedeobstaculizar la colocación de la losa de hormi-gón.

• unas alas muy anchas permiten mayo-res relaciones entre tramo y canto.

• un aspecto más atractivo, ya que la rigi-dización puede permanecer invisible enel cajón.

• perfil aerodinámico muy bueno, que estan importante para los grandes puen-tes colgantes o de cables atirantadoscomo lo es la resistencia a la torsión.

• una adaptabilidad muy buena a las con-diciones más difíciles. Con las vigas encajón, se pueden obtener luces mayo-res considerando la torsión que la fle-xión utilizando pilas como única estruc-tura de apoyo, como se indica en lafigura 3.

La tabla 1 indica tramos límite económi-cos para puentes de carreteras.

Hasta ahora, el tramo más largo tiene 300m y se logró en 1.974 en el puente Costa e Silvade Río de Janeiro. Siempre es probable que eltramo más largo existente haya superado el lími-te del rendimiento económico.

2.2 Relación entre luz y canto

La relación entre luz y canto normalmenteestará comprendida entre 20 y 25 aproximada-mente para jácenas simples y entre 25 y 35aproximadamente para jácenas continuas. Esposible reducir el canto, si es necesario, sin que-brantar las limitaciones de flechas, acosta deacero adicional. Las relaciones anteriores sonválidas para puentes de carreteras. Para puen-

tes de ferrocarriles, las relacionesdeben ser más pequeñas, pongamospor caso 15 y 20. Es aconsejablecomprobar la relación más favorableentre luz y canto mediante modelosde prueba.

2.3 Sección transversal

Una viga en cajón puede teneralmas verticales o inclinadas. Es más

119


Tablero mixto Tablero de hormigón (m) ortotrópico (m)

Tramo único 20 - 100 70 - 120

Tramo interior 30 - 140 100 - 250de jácena continua

Tabla 1 Intervalo de tramos para puentes de vigas en cajón

barato fabricar una jácena con almas verticales.El perfil de esta sección puede ser la mejor solu-ción para una carretera estrecha o para unalínea de ferrocarril de vía única.

Se puede colocar una única viga en cajóncerrada y estrecha en el eje central del puente ypuede completarse con consolas de apoyo envoladizo (figura 3b).

Una combinación de un tablero anchosobre un puente de pequeña o mediana luz favo-rece las almas inclinadas, (figura 1). Por ejemplo,un tablero de hormigón de 13 m de ancho sinpretensado transversal requiere una anchura delcajón de 6 m en la parte superior. Si se hicieracon almas verticales, el ala inferior sería dema-siado ancha para que fuera eficaz. Las almasinclinadas reducen la anchura de forma favora-ble. Normalmente, las almas están inclinadas 20- 35 grados en relación con la vertical. Enmuchos casos, se eligen las almas inclinadaspor motivos estéticos.

Existen varios efectos que hacen que lasalas anchas sean ineficaces. Uno es el desfasede cortante y otro es la abolladura de las super-ficies a compresión. Además, el espesor mínimoespecificado en los reglamentos puede hacerque la superficie del ala sea excesiva.

Las anchuras de las chapas de 3,3 mestán fácilmente disponibles. Si se necesitanchapas aún más anchas, se añade a los costesuna soldadura longitudinal. En este caso, no esnecesario que la soldadura longitudinal sea unasoldadura a tope de penetración total. Gene-

ralmente, es preferible adoptar la máxima anchu-ra disponible y evitar la soldadura longitudinal,aun cuando una chapa ligeramente más gruesadiera lugar a menos rigidización. Este consejo esválido para la chapa inferior, así como para lasalmas.

Se obtiene un rendimiento económico silas secciones se pueden elaborar en toda suanchura en el taller. Si las secciones puedentransportarse en barco, la única limitación es elequipo de manejo. Con frecuencia, las vigas encajón mixtas serán lo bastante pequeñas comopara transportarse en una pieza, también porcarretera. Deben verificarse las restriccioneslocales del transporte por carretera. Puede supe-rarse el límite normal de anchura, 2,5 m, si sesolicitan permisos especiales, p. ej., en Sueciase permite un máximo de 4,5 m. Deben verificar-se también los costes de los vehículos acompa-ñantes.

2.4 Calidad del acero

La calidad del acero habitual para lasvigas en cajón es Fe 510, con un límite elásticofy = 360 MPa en la estructura principal y Fe 360o Fe 430 para los arriostramientos. Para los tra-mos largos es rentable utilizar calidades másaltas, p. ej., fy = 460 MPa.

Puesto que los aceros de clase superioractualmente se procesan termomecánicamente,su uso puede ser atractivo desde un punto devista económico siempre que la fatiga no sea unfactor predominante.

120

3. DETALLES ESTRUCTURALES

Esta sección trata únicamente de losdetalles característicos de las vigas en cajón,excluido el tablero. En cuanto a los tableros,véase la lección 18.3 y para las chapas en gene-ral, véase la lección 10.5.2.

3.1 Rigidizadores longitudinales

Los rigidizadores son necesarios en el alainferior, al menos en las pilas, donde está a com-presión y, algunas veces, también en las almas.A la hora de proyectar una jácena económica,debe tenerse en cuenta el coste del manejo y lasoldadura de los rigidizadores. Con el aumentode los costes de mano de obra, la tendencia estener menos rigidizadores y chapas más grue-sas. Por ejemplo, en Suecia es frecuente no uti-lizar rigidizadores en las almas hasta que elcanto supere los 2,5 - 2,8 m (1 hora de mano deobra equivale a 60 kg de acero). La prácticanacional varía en este sentido. Los fabricantestambién tienen sus propias preferencias.

En muchos casos, el ala inferior tendrá unárea efectiva muy pequeña si no se rigidiza en laestructura de apoyo. Un perfil eficaz es el rigidi-zador trapezoidal conformado en frío. Serán sufi-cientes de uno a dos si se fabrican lo suficiente-mente grandes.

Si el puente se va a montar mediante lan-zamiento o montaje en voladizo, a menudo esnecesario rigidizar el ala inferior a lo largo detoda la jácena, con el fin de resistir los momen-tos negativos durante el montaje.

3.2 Diafragmas de las pilas y pórticos transversales intermediosEn los apoyos, se tienen que transmitir

unas importantes fuerzas del momento de tor-sión y del cizallamiento a las estructuras deapoyo. La solución recomendada en las pilas esun diafragma, es decir, una chapa de acerotransversal a la jácena. La chapa se ha proyec-

tado para soportar el cizallamiento del momentode torsión y se refuerza localmente para sopor-tar las reacciones en el apoyo. El diafragma enlas secciones de las pilas impide la deformaciónde la sección (distorsión de la sección transver-sal del cajón). Si el ala inferior es estrecha, qui-zás sea necesario colocar las estructuras deapoyo fuera del ala y proporcionar rigidizadoresexternos a las almas.

Con el fin de impedir la deformación de lasección transversal, la jácena está provista dearriostramientos transversales intermedios(véase la figura 1). Las almas y el ala inferiorposeen rigidizadores transversales en estas sec-ciones. Los rigidizadores transversales interme-dios están hechos de llantas o flejes de chapa deacero cuando se utilizan arriostramientos trans-versales. Para los pórticos intermedios, losarriostramientos pueden omitirse si la rigidez delos pórticos transversales, constituidos por rigidi-zadores de alma y ala, es suficiente. Los rigidi-zadores transversales intermedios están forma-dos por un perfil T cuando no se usanarriostramientos.

3.3 Elementos transversales intermedios entre cajonesEl diseño de los elementos transversales

entre dos vigas longitudinales en cajón general-mente está sujeto a importantes variaciones detensión bajo cargas no permanentes excéntri-cas. Su diseño generalmente se rige por consi-deraciones de fatiga. Se pueden adaptar diafrag-mas grandes y muy separados, (figura 5a). Porotra parte, se pueden adoptar travesaños a dis-tancias de 3 a 4 m, que soporten un tablero dehormigón o de acero ortotrópico, como se mues-tra en la figura 5b.

3.4 Estructuras de apoyo

Como una viga en cajón es resistente a latorsión, es posible utilizar una estructura de apoyosencilla en uno o más apoyos y transmitir el momen-to de torsión allí donde los cimientos puedan resis-tirlo mejor. Esto es especialmente frecuente si el

121

DETALLES ESTRUCTURALES

puente es muy curvo. Lasestructuras de apoyo sencillaspueden estar soportadas porpilares esbeltos.

En cada extremo delpuente, por lo general, existendos estructuras de apoyo si elpuente está formado por unaúnica viga en cajón. En estecaso, se debe prestar unaespecial atención para garanti-zar una distancia suficienteentre las dos estructuras.

Otra consecuencia dela resistencia a la torsión esque se debe tener un cuidadoadicional para obtener lascorrectas reacciones en elapoyo cuando existen dosestructuras en cada apoyo.Una forma de conseguir estoes dejar que el cajón descansesobre gatos con cargas predeterminadas y empo-trar la estructura de apoyo permanente cuando lascargas del gato sean correctas.

Si las estructuras de apoyo de la pila estánbajo el diafragma, se debe tener cuidado para ase-gurar que los momentos térmicos no den lugar a laexcentricidad longitudinal que tiene lugar en lasestructuras de apoyo. Quizás sea necesario sumi-nistrar rigidizadores adicionales.

3.5 Protección frente a la corrosiónEl interior de una viga cajón está expues-

to a mucho menos riesgo de corrosión que el

exterior. Por lo tanto, la protección frente a lacorrosión del interior puede simplificarse o inclu-so omitirse completamente. Existe siempre unaposibilidad de fugas de agua hacia el cajón,especialmente si el tablero está fabricado en hor-migón. Por esta razón, el cajón debería estarprovisto de un deshumedecedor para mantenerseco el aire. Esta es una precaución de precioreducido.

Se debe utilizar pintura blanca o coloresmuy claros para el interior, con el fin de facilitarinspecciones futuras.

122

(a) Ejemplo de diagrama donde el ancho de las vigas en cajón y la distancia entre ellas son parecidas

Vigas transversales, espaciadas de 3 a 4 mts

Viga en cajón

(b) Vigas transversales para grandes anchos entre las vigas en cajón

Figura 5 Elementos transversales intermedios entre cajones

4. ANÁLISIS

4.1 Generalidades

Una viga en cajón puede analizarse comouna viga sometida a flexión, cizallamiento y tor-sión. Sin embargo, la teoría de la viga simplemen-te apoyada no constituye una herramienta adecua-da, por lo que se requieren consideracionesadicionales, p. ej., desfase de cortante, alabeo ydeformación de la sección transversal [1]. Paraobtener más detalles, véase la lección 10.5.1.

Las tensiones adicionales provocadas porla deformación de la sección transversal depen-den en gran medida de la distancia entre las rios-tras. Con una distancia suficientemente peque-ña, estas tensiones se pueden ignorar. Losreglamentos nacionales varían en este sentido.

4.2 Torsión

Un momento de torsión es soportado prin-cipalmente por las tensiones tangencialescorrespondientes a la teoría de la torsión pura.Estas tensiones se calculan fácilmente a partirde la hipótesis de un flujo de cizallamiento cons-tante en un cajón monocelular. Además, el ala-beo restringido cambia ligeramente la distribu-ción de las tensiones tangenciales y, lo que esmás importante, da lugar a tensiones longitudi-nales que se suman a la tensión de flexión. Lastensiones debidas al alabeo restringido no sonmuy grandes y es suficiente un cálculo aproxi-mado, véase la lección 10.5.2.

4.3 Pórticos transversales intermedios arriostrados o no arriostradosLos arriostramientos transversales sirven

para restringir la deformación de la seccióntransversal. Las cargas en ellas surgen de lacarga excéntrica, pudiéndose calcular fácilmentesi se considera que la sección transversal poseeuna rigidez cero en cuanto a deformación en supropio plano o, como hipótesis equivalente, seda por sentado que existen rótulas en las esqui-nas. Se considera que las cargas son soporta-das por las alas y las almas, que actúan comovigas laminadas con apoyos rígidos en las rios-tras. La reacción en el apoyo de estas vigas lami-nadas ficticias son las fuerzas que soportan lasriostras. Para obtener más detalles, véase la lec-ción 10.5.2.

Cuando se omiten los arriostramientosintermedios, se debe prestar una especial aten-ción al diseño de las esquinas de los pórticostransversales no arriostrados, que deberíanresistir el momento a flexión en el plano del pór-tico transversal. (La viga en cajón de acero actúade la misma forma que las vigas en cajón de hor-migón pretensado). Para este caso, se han dise-ñado rigidizadores de perfil T de alas con estefin. El diseño de las esquinas generalmente serige por consideraciones de fatiga.

Cuando los pórticos transversales inter-medios no soportan directamente la carga debi-da al tráfico, en general están sometidos a pocatensión.

123

ANÁLISIS

5. MÉTODOS DE MONTAJE

Las vigas en cajón pueden montarsecon métodos normales tales como el lanza-miento o el montaje en voladizo. Si el puenteestá curvado formando una circunferencia, ellanzamiento funciona sin dificultad. Si el cajónposee un tablero ortotrópico, es lo bastanterígido incluso para puentes muy curvos. Noobstante, los cajones con losas de hormigónmixtas normalmente se montan como untablero inferior abierto. Esta forma abierta esmuy flexible desde un punto de vista torsional.El centro de esfuerzos cortantes está excep-cionalmente muy por debajo del centro de gra-vedad, de forma que la sección se flexionarásustancialmente, tanto vertical como horizon-talmente, bajo el peso propio, lo que complicael lanzamiento. Además, la colocación de lalosa de hormigón crea una carga excéntricaadicional y más deformaciones y tensiones siel cajón es curvo y abierto.

Una solución es proporcionar arriostra-mientos horizontales al cajón entre las alassuperiores. Los arriostramientos deben pre-verse de forma que se evite la interferenciacon la colocación de la losa de hormigón.Estas diagonales pueden ser temporales si seconsidera que vale la pena retirarlas despuésde la colocación de la losa. Otra posibilidad esutilizar encofrado perdido.

Para el montaje del Pont de Martiguese utilizó un sistema ingenioso (figura 6). Lajácena se fabricó en tres piezas. Las dos pie-zas de los extremos se colocaron debajo de losestribos y la tercera pieza se montó en medio. Acontinuación, se elevó la viga de rigidez median-te dos grúas de pórtico, se montaron los punta-

les y se hicieron las uniones entre los puntales yla viga. Se cerraron las aberturas entre los pun-tales inclinados y la viga, utilizando balasto y lasgrúas de pórtico.

124

300,000

(a)

(b)

(c)

(d)

3,200 97,200 99,200 97,200 3,200

130,00046,200

45,000 210,000

300,000

45,000

(e)

Figura 6 Montaje del puente de Martique

6. APRENDER DE LOS ERRORES

Los fallos estructurales ocurren comoconsecuencia de los fallos humanos. Además,los fallos humanos tienen tendencia a repetirseuna y otra vez.

Durante el período 1969-1971, tuvieronlugar varios accidentes con los puentes de viga encajón, todos ellos durante la etapa de montaje:

• 1969: puente sobre el Danubio, Viena

• 2 de junio 1970: puente sobre elCleddau, Milford Haven, Gales

• 15 de oct.1970: puente sobre el LowerYarra, Melbourne, Australia

• 10 de nov.1971: puente sobre el Rin,Coblenza, Alemania.

A continuación se exponenbrevemente estos cuatro casos:

Viena

El montaje de este puente serealizó sin problemas mediante elmontaje en voladizo desde amboslados. La abertura final se cerró en undía caluroso de verano. Las deforma-ciones del puente debido a la dilata-ción por la temperatura se muestranen la figura 7. Durante la noche serestableció una temperatura unifor-memente repartida. El puente seenderezó, lo que dio lugar al pandeode la chapa. El pandeo se corrigió yno se produjo ningún colapso.

Milford Haven

El centro del vano de estepuente se construyó mediante montajeen voladizo. Con este método de mon-taje, el pórtico transversal sobre unapila experimenta una carga adicionaldebido a la parte del montaje en vola-dizo. Esta carga no ocasiona ningúnproblema siempre y cuando el diafrag-ma se diseñe de forma que la soporte.

Éste no era el caso. El puente se desplomó, (figu-ra 8).

Melbourne

La viga de rigidez de este puente decables inclinados estaba formada por tres cel-das. Para el montaje, el cajón estaba dividido endos partes longitudinalmente, (figura 9). En cadalado de una pila se ensambló una parte delcajón, se elevó al nivel correcto y se trasladó a laposición adecuada para su unión.

Algunas complicaciones:

• Ambas partes eran asimétricas. Seesperaban flechas verticales y horizon-tales debido a la carga permanente.

125

APRENDER DE LOS ERRORES

Temperatura Ala superior

Ala inferior

Última sección

(a) Cerramiento en presencia de temperatura diferencial

Tracción

Compresión

Pandeo de la chapa

(b) Estado bajo una temperatura uniforme

Figura 7 Puente sobre el Danubio, Viena

Hundimiento de puente

Figura 8 Puente Milford Haven

• Es prácticamente imposible montarambas partes de manera independientede tal forma que la flecha de viga seaexactamente la misma. Se midió unadiferencia real de 120 mm.

• El ala superior del voladizo lateral tieneuna fuerte tendencia a pandear.

Los dos últimos problemas se resolvieroncolocando balasto en la parte superior del puente.La diferencia en la flecha global desapareció, peroel pandeo del ala superior del montaje en voladi-zo aumentó. Para solucionar el problema del pan-deo final, se quitaron algunos tornillos de aprietepor fricción de alta resistencia, con el fin de elimi-nar la incompatibilidad de la longitud del ala, conel desastroso resultado de sobrepasar la resisten-cia sustentadora de carga de rotura. El puentecedió y se vino abajo 50 minutos más tarde [2].

Coblenza

Como método de montaje se utilizó elvoladizo y de nuevo tuvo lugar un colapso. Elfallo se debió a la coincidencia de tres aspectosdesfavorables, cada uno de los cuales por sepa-rado, muy probablemente, no habría provocadoeste colapso.

• debido al soldeo de la soldadura trans-versal, se inició una deformación, aumen-tando así la excentricidad de la tensión acompresión, figura 10a.

• se dejó libre una separación de aproxi-madamente 460 mm entre los rigidiza-dores longitudinales, de forma que elequipo de soldeo automático pudierasobrepasar los rigidizadores sin dete-nerse, (figura 10b). Se consideró que lalongitud de pandeo era de 460 mm. Lalongitud de pandeo efectiva era mayor,figura 10c.

126

F Fe

(a)

20460

460

(b)

Soldadura

(c)

Figura 10 Detalle del puente de Coblenza

Cubrejunta

Cubrejunta

Figura 9 Sección transversal tipo del puente de Melbourne

• no se tuvo en cuenta el efecto de laanchura útil en la chapa no rigidizadalocalmente.

Los accidentes, en el Reino Unido espe-cialmente, dieron lugar a un riguroso programa

de investigación [3]. En 1974, se promulgaron las"Reglas Merrison", un reglamento que ofrecíarecomendaciones sobre el cálculo y el montajede las vigas en cajón [4].

127

APRENDER DE LOS ERRORES

7. RESUMEN FINAL• Los puentes de vigas en cajón son apropia-

dos para tramos más largos que los de lospuentes de jácenas en I y son especialmen-te eficaces para puentes curvos.

• Los puentes de vigas en cajón puedentener tramos más grandes considerando latorsión que la flexión, usando pilas con unúnico soporte intermedio.

• El tablero puede ser una losa de hormigónmixta o de acero ortotrópico. Lo último esapropiado para tramos más largos que losdel primero.

• El canto económico de una viga en cajón esmás pequeño que el de una viga armada.

• Al diseñar la sección transversal, se debentener en cuenta las anchuras de chapas dis-ponibles, el transporte y el montaje.

• Los cajones son muy resistentes a la torsióncuando se completan. Si se montan como untablero inferior abierto, son muy flexibles, loque puede ocasionar problemas.

• En las pilas se deben utilizar fuertes dia-fragmas.

• No se deben interrumpir los rigidizadoreslongitudinales.

8. BIBLIOGRAFÍA

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128



129

131

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Presentar el diseño de puentes en arcopara ferrocarriles y carreteras.


Ninguno

LECCIONES AFINES



Lección 183: Tableros de Puentes


Lección 18.12: Introducción a la Construc-ción de Puentes

RESUMEN

Se describen los principales tipos depuentes en arco, destacando tanto sus diferen-cias como sus semejanzas. Después de unaexplicación de los principales elementos estruc-turales, se ofrece un resumen de los medios conlos que se pueden dimensionar inicialmentemediante un sencillo análisis manual. Se identifi-can los aspectos secundarios importantes delcomportamiento. Se describen en líneas genera-les varios métodos de montaje.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Generalidades

Un arco puede definirse como un elemen-to configurado y apoyado de tal forma que lascargas transversales intermedias se transmiten alos apoyos principalmente mediante esfuerzosde compresión axial en el arco. La forma del arcotiene la finalidad de reducir los momentos de fle-xión en la superestructura y debería ser econó-mica en cuanto al material en comparación conuna viga de celosía o jácena libremente apoyaday en línea recta. El empuje horizontal es resisti-do por el cimiento o por una jácena o viga decelosía que se extienden longitudinalmentedebajo del tablero, en toda la longitud del tramo.

1.2 Desarrollo histórico

Desde hace mucho tiempo se ha recono-cido que el arco es una forma estructural eficaz

y agradable desde un punto de vista estético. (Enla lección 18.1 se abordan con más detalleaspectos del diseño conceptual).

La tabla 1 ofrece un resumen de los puen-tes en arco más largos. Para obtener más infor-mación y ejemplos, véanse [1] y [2].

1.3 Tipos de aplicaciones

Los puentes en arco de acero general-mente se utilizan para soportar carreteras oferrocarriles.

1.4 Campo de aplicación

Los tramos típicos para arcos de aceroestán comprendidos entre 50 y 500 metros.

132

Tabla 1 Los mayores Puentes en Arco

Puente

New River Gorge

Bayonne

Sydney Harbour

Fremont

ZdakovPort MannRuncorn

Birchenough

Glen Canyon

Lewiston-Queenston

Hellgate

Tramo en metros

518

510

509

383

380366330

329

313

305

298

Año de finalización

1977

1931

1932

1971

196719641961

1935

1959

1962

1916

Ubicación

EE.UU.

EE.UU.

Sidney, Australia

Oregon, EE.UU.

Orlik, ChecoslovaquiaColumbia Británica,

CanadáMersey, Inglaterra

Sabi, Rodesia

Glen Canyon, Arizona,EE.UU.

Río Niágara, EE.UU.

Ciudad de Nueva York,EE.UU.

Otros detalles

Cuatro carriles; viga de celosíaCuatro carriles, dosaceras; viga de celosía48,8 m de ancho; vigade celosíaArco con tirantes; cua-tro carriles; tablero orto-trópico; vigas en cajónsoldadasArco biarticuladoArco similar al del puen-te Fremont

Acero aleado

El tablero está a 213 msobre el nivel del agua

Puente de raíles

2. TIPOS DE PUENTES EN ARCO

2.1 Disposición de arcos

En la figura 1 se ofrece la nomenclaturade los elementos estructurales de un puente enarco.

Los puentes en arco se pueden distinguirpor sus acciones estructurales. Por motivos deconveniencia, a cada tipo se le da una letra decódigo:

• Tipo A: El puente en arco básico

El puente en arcobásico, con un arcopredominante y conel empuje transmiti-do directamente a lacimentación. El arcoestá sometido a fle-xión, cizallamiento yesfuerzos axiales.

• Puentes de arco contirantes, de los queexisten dos tipos:

Tipo B: El puente dearco con tirante bási-co

Aún predomina elarco, pero se resisteel empuje uniendo losextremos del arco. Elcomportamiento esmuy parecido al delTipo A.

Tipo C: El puente enarco con viga de rigi-dez

Una viga de rigidezpredominante está sometidaa momentos de flexión y aesfuerzos axiales producidospor el arco. El propio arcorecibe carga principalmente acompresión.

Aunque existe una diferencia en cuanto alaspecto, el comportamiento mecánico de los trestipos es en gran parte similar. En esta lecciónsólo se expone detalladamente el comporta-miento mecánico del Tipo C.

La figura 1 muestra tres situaciones en lasque el arco está situado encima del tablero.Existen otras formas de arco igualmente válidasen las que el arco puede estar ubicado o bientotalmente debajo (figura 2a) o parcialmentedebajo (figura 2b) del tablero. Siempre que elarco esté situado bajo el tablero, el tablero seapoya en puntales (es decir, elemento a compre-sión) en lugar de estar suspendido de péndolas.

133

TIPOS DE PUENTES EN ARCO

Apoyo

Apoyo

Apoyo

Arco

Arco

Arco

Péndola

Péndola

Péndola

Carretera independiente soportada por péndolas

Tipo A: Puente en arco básico

Tirante

Tipo B: Puente en arco con tirante básico

Viga de rigidez

Tipo C: Puente en arco con viga de rigidez

Figura 1 Tipos de puentes de arco

Una alternativa elegante la proporciona eluso de arcos inclinados unidos en la zona delcentro del vano del arco.

En las configuraciones básicas de arco yarco con tirante (figura 1), generalmente se utili-zan péndolas verticales. Como estas péndolasestán cargadas a tracción, se pueden emplearperfiles laminados o cables. Si las péndolas estáninclinadas, se desarrolla un comportamiento deviga de celosía y la carga del viento ascendentepuede cambiar la carga de tracción a una de com-presión. Evidentemente, esto es inaceptablecuando se utilizan cables. La solución más satis-factoria a este problema es que la carga perma-nente del tablero debería proporcionar suficientepretensado para garantizar quenunca se desarrolla compresiónneta en las péndolas.

Aunque existen estruc-turas de puentes de arco contirante en las que tanto la jáce-na como el arco están someti-dos a importantes momentosde flexión, son relativamentepoco frecuentes y de ellas nose habla más aquí.

2.2 DisposiciónestructuralCuando se debe cruzar

un valle o cañón escarpados, elarco de la figura 2a ofrece unasolución apropiada y sorpren-

dente. En terreno llano o cuando se deben con-seguir espacios libres para la navegación en pro-porciones significativas de la anchura del río,generalmente será preferible una de las disposi-ciones del arco básico o del arco con tirante dela figura 1.

Cuando se utilizan tramos múltiples, exis-te la opinión (expresada por Leonhardt [2]) deque, por razones estéticas, es preferible la repe-tición de la disposición del arco de la figura 2a,en lugar de la del arco con tirante (figura 1).Entonces se puede adoptar un arco con tiranteúnico o un arco con tirante parcial en el tramoprincipal, como se utilizó con éxito en el puentedel río Rogue en Oregon, Estados Unidos [2].

134

(a) Arco con tablero superior

(b) Arco con tirante parcial

Figura 2 Distintos niveles relativos del arco respecto de la viga en cajón

3. ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS

El puente de arco con tirante generalmen-te está formado por los siguientes elementosestructurales:

• el arco

• las vigas de rigidez

• las péndolas

• los pórticos de los extremos

3.1 El Arco

El arco puede ser una viga de celosía,una viga en cajón, una viga armada o algún tipode sección hueca (p. ej., circular). De muchos deestos elementos se habla en otras lecciones. Nose espera que surjan diferencias esenciales desu uso como un arco.

Lo ideal sería que, por motivos estéticos, elarco siguiera un perfil curvo continuo y suave. Noobstante, la curvatura global de la barra del arco

también puede obtenerse por medio de una serie decordones rectos cortos, como se indica en la figura3a. Las péndolas se sujetan en los cambios de pen-diente del arco. En este tipo de arco, se generanfuerzas fuera del plano en las alas superior e inferiorde la barra del arco, siendo necesarios un pórticotransversal o un diafragma internos (figura 3a).

Cuando se utilizan perfiles laminados osoldados, en lugar de cables, para las péndolas,la unión de las péndolas al arco puede realizar-se mediante un detalle en el que se formenempalmes con pletinas de alma prolongadas dela barra del arco (figura 3).

Aún cuando exista arriostramiento entrearcos en la parte central del tramo, quizás setenga que suprimir cerca de los extremos delarco, con el fin de proporcionar espacio librepara el tráfico, (véase la figura 4).

Cuando no se proporciona arriostramien-to contraviento, la estabilidad lateral del arco esalgo más complicada de valorar que en una vigade celosía, por dos razones:

135

ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS

Diagrama interno o estructura transversal

(a)

Péndola

Chapa de relleno (o adosada)

Arco de viga en cajón

Péndola

(b)

Figura 3 Detalles de la unión arco/péndola para arcos de viga en cajón

• Se suministra atado intermedio puntualal arco mediante estructuras en U (talescomo BXX'B'), que se componen de dospéndolas unidas a un travesaño en lafigura 4b. La rigidez de estas estructu-ras varía en toda la longitud del arco,debido a los cambios en la longitud delas péndolas;

• Las longitudes de las barras del arcotambién cambian continuamente, sien-do constante la longitud de los segmen-tos horizontales, por lo general, con la

consiguiente variación de la longitud delas barras.

La ecuación de energía que rigeeste problema y el método de resolver-lo son similares al enfoque de una vigade celosía. El análisis por ordenadorofrece una solución alternativa. En lapráctica, la acción de las estructuras enCYY'C' y el arriostramiento sobre CC',junto con el atado que suministra el pór-tico extremo CAA'C' (explicado en 3.4),normalmente garantizarán la estabili-dad de puntos tales como B, B'.

La rotación de la viga de rigidezsobre su eje longitudinal reduce eficaz-mente la rigidez de la estructura en U(p. ej., BXX'X' en la figura 4b). Para ate-nuar este efecto perjudicial, la riostra deborde a veces está apoyada en el cen-tro del vano (figura 4b).

3.2 La viga de rigidez

La viga puede estar hecha de:

• una viga I.

• una viga en cajón o cualquierotro tipo de sección hueca.

• una sección abierta en formade “omega”, un tipo de seccióntransversal que perteneceprincipalmente a la época delroblonado.

Si se examina más detenidamente el arcocon tirante, se advertirá que el arco y la viga amenudo están en planos verticales separados;por lo tanto, el arco está unido excéntricamentea la viga. Cualquier excentricidad de este tipodebe tenerse en cuenta en el proyecto.

En cuanto a una viga de rigidez, o unasección abierta en forma de “omega”, se obtieneuna excelente conexión entre el arco y la viga uti-lizando dos cubrejuntas, que coincidan con lasparedes de la viga de rigidez (figura 5). Cadachapa de unión recibe la carga de:

136

Arriostramiento contraviento (puede omitirse)

C

B

A

C

C

B

B

A

A

C'

B'

A'

C'

B'

A'

(a)

(b)

(c)

Péndolas

Vigas transversales

Viga de rigidez

Viga de rigidezViga transversal

X'

Y'

Soporte en el centro del tramo (opcional)

Resorte

X

Y

Figura 4 Estabilidad lateral de los puentes en arco

• H/cos

α del empuje horizontal.

• la reacción en el apoyo R.

• momentos de flexión, esfuerzos axialesy de cizallamiento en los límites M, T, V.

• fuerzas adicionales, por ejemplo, debi-das a un tablero participante, P.

La distribución de las tensiones en lachapa es complicada. Puede obtenerse usandométodos de elementos finitos.

3.3 Las péndolas

Para las péndolas pueden utilizarse vigasI (soldadas o laminadas), secciones huecas cir-culares o cables. Las opiniones difieren en cuan-to a la elección óptima de la sección. Los cablesestán fabricados en acero de alta resistencia, p.ej., Fe 1800. Debido a los altos niveles de ten-sión que tienen lugar y a los efectos de la fluen-cia, se produce un alargamiento que es parcial-mente elástico (es decir, recuperable) yparcialmente permanente. No obstante, parapuentes de carreteras y puentes de ferrocarrilescon o sin balastro continuo, se han usado cablescon éxito.

Las péndolas de las vigas en I pueden sersensibles respecto a la oscilación, mientras que lassecciones huecas y los cables pueden vibrar como

resultado del estiramien-to vertical. El ApéndiceA ofrece un método paragarantizar que no seproduzcan vibracionesno deseadas. A menudoes más fácil reducir elefecto de las vibracionesque suprimirlas. Lasvibraciones más peligro-sas son aquéllas degran energía cinética, esdecir, aquéllas de cortalongitud de onda que tie-nen lugar a una granvelocidad del viento.Dichas vibraciones pue-den reducirse medianteel uso de amortiguado-

res (figura 6).

3.4 Los pórticos de los extremos

Para soportar el arco lateralmente y parareducir la longitud del pandeo de las barras delarco, generalmente se utiliza el arriostramientopara la zona central de los arcos. Las fuerzas delviento y los efectos de la estabilidad se transmi-ten a los apoyos mediante pórticos rígidos en losextremos (figura 7a).

137


Viga de rigidez en el extremo del tramo

Arco

Reacción entre el soporte

Viga de rigidez en el centro del tramo

T1M1 V1

Hα

H/cos α

αP

R

V2 M2T2

Figura 5 Fuerzas que actúan sobre las cubrejuntas en la unión entre el arco y la viga de rigidez

Amortiguador por peso Stockbridge

Figura 6 Amortiguador de péndola

Aunque general-mente no se especificanrequisitos de rigidez, seconsidera una buenapráctica limitar la defor-mación máxima de unpórtico del extremo ah/1500 (figura 7b).

Pueden adoptar-se diferentes métodospara volver a transmitirestas fuerzas a los apo-yos.

• Los pórticos rígidosen los extremosverticales transmi-ten sus fuerzas denuevo a los apoyosa través del tableroo el arriostramientocontraviento al niveldel tablero.

• El pórtico rígidoen el extremoinclinado se com-pone de las dosúltimas barras decada arco, la última barra reforzada delarriostramiento contraviento y la riostra de

borde. Este pórtico transmite directamentelas fuerzas otra vez a los apoyos.

138

Pórticos inclinados de extremo rígido (C A A' C')

C

B

A

C'

B'

A'

YY'

Pórtico vertical de extremo rígido (C Y Y' C')

(a) Pórticos de extremo rígido

h/1500

h

(b) Criterios de la flecha

Figura 7 Trayectorias de las cargas laterales hacia los soportes

4. ASPECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO Y ANÁLISIS

4.1 Efectos primarios

El puente en arco generalmente es inde-terminado. No obstante, se pueden utilizar cálcu-los manuales sencillos para el cálculo inicial.

Aquí se elige como ejemplo el arco contirante. El razonamiento se puede aplicar a otrosmuchos tipos de puentes en arco.

Considere el arco con tirante que se mues-tra en la figura 8a. La línea de influencia del com-ponente horizontal del empuje del centro del vano,símbolo H, aparece en la figura 8b. La línea essimétrica hacia el centro del vano y su signo nocambia. El mayor empuje claramente se desarro-lla cuando todo el tramo está cargado.

A continuación, tenga en cuen-ta el comportamiento del puentecuando está sujeto a cuatro importan-tes modelos de carga (figura 9):

a. carga máxima en todo eltablero

b. arga máxima en la mitad dela longitud del puente

c. un lado del puente a cargamáxima

d. carga máxima alternada enla mitad de la longitud delpuente.

4.1.1 Carga máximaEn este caso, el empuje H

alcanza un máximo. A partir de cálcu-los con ordenador, se descubrirá quela viga de rigidez que actúa en flexióncontribuye sólo a un 5% aproximada-mente de la resistencia sustentadorade carga del puente. Como resultado,se puede obtener un cálculo muybueno del empuje a partir de:

(1)

donde:

q es la carga repartida uniformemente

L es el vano del puente

F es la flecha del arco, generalmente alrededorde L/7.

4.1.2 Carga máxima en la mitad de la longitud del puente

La mitad del tramo de carga repartida uni-formemente 2q es equivalente a dos cargassuperpuestas (figura 10):

• carga máxima en todo el tablero: +q

• carga antisimétrica de la manerasiguiente:

Hq L

F= ⋅

⋅

2

8

139

ASPECTOS ESPECIALES…

H H

L

(a) Un puente en arco con tirante

(b) Línea de influencia del empuje en el centro del vano

Figura 8 Empuje del arco

a la izquierda: carga positiva +q;

a la derecha: carga negativa -q.

La carga máxima principalmente generaun empuje en el arco y una fuerza de traccióncompensadora en la viga.

Debido a la simetría de la línea de influen-cia, la segunda carga no genera ningún empuje.Como la flecha bajo esta segunda carga se com-pone de dos semiondas, se puede considerarque la viga se compone de dos partes, con una“rótula” en el centro del vano. Por lo tanto, elmomento flector máximo es aproximadamente:

(2)

Este momento flector máxi-mo tiene lugar a L/4.

4.1.3 Carga máxima un lado del puente

De nuevo, se puede conside-rar que la carga repartida uniforme-mente 2q se compone de dos car-gas superpuestas:

• carga máxima +q

• carga máxima en un ladodel puente: +q

carga máxima en el otrolado del puente: -q

De nuevo, la carga máximagenera principalmente un empuje,lo que provoca una fuerza a tracciónen la viga, que se calcula a partir dela ecuación (1).

Las cargas unilaterales tien-den a deformar la sección transver-sal del puente, provocando esfuer-zos transversales longitudinales enel arco y el tablero. Estos esfuerzoscrean momentos flectores horizon-

tales en las vigas y el tablero. En un tablero orto-trópico, el momento flector puede dar lugar a ten-siones mayores que la tensión admisible.

4.1.4 Carga máxima alterna en la mitad de la longitud del puente

De nuevo, se puede considerar que lacarga repartida uniformemente 2q se componede dos cargas superpuestas:

• carga máxima: +q

• carga máxima en un lado de la mitad dela longitud del puente:

Mq L

m�x = ⋅ 2

32

140

(a) Carga máxima

(b) Carga máxima en la mitad de la longitud del puente

(c) Carga máxima a una lado del puente

(d) Carga máxima alternada en la mitad de longitud del puente

Figura 9 Modelos de carga crítica para puentes en arco

Mmáx

a la izquierda: carga positiva +q

a la derecha: carga negativa -q

• en el otro lado del puente, de nuevo unaplena carga en la mitad de la longituddel puente, pero ahora:

a la izquierda: carga negativa -q

a la derecha: carga positiva +q

De nuevo, la carga máxima principalmen-te genera un empuje, lo que provoca una fuerzaa tracción en la viga, que se calcula a partir de laecuación (1).

Considerando las deformaciones debidasa la segunda carga, en una de las vigas princi-pales:

• no existe empuje

• la unión entre el arco y la viga está sujetaa rotación solamente

• el arco se mueve verticalmente, perotambién horizontalmente

• los movimientos de ambas vigasprincipales están en la direcciónopuesta.

Si se introduce un arriostramiento,entonces los desplazamientos horizontalesimponen al arco un perfil en S, con el punto deinflexión en el centro del vano. Como conse-cuencia de esto, existe un esfuerzo de cizalla-miento en el plano del arriostramiento.

Este esfuerzo de cizallamiento es bas-tante moderado, incluso en puentes grandes.En el puente de ferrocarril de doble vía quecruza el canal Amsterdam-Rin, de un tramode 114 m, el esfuerzo de cizallamiento en elcentro del vano es de aproximadamente 100kN.

Esto demuestra que es necesario con-siderar el puente como una estructura tridi-mensional en el proyecto final.

4.2 Efectos secundarios

La explicación de la sección anterior sólose aplica a los modos primarios de comporta-miento del puente en arco. Existen varias accio-nes secundarias que es necesario tener encuenta en el proyecto.

4.2.1 Flexión de las péndolas

El análisis inicial ha asumido que lasuniones entre las péndolas y el arco y la vigason articuladas. En la práctica, estas unionesson rígidas y los desplazamientos de la estruc-tura dan lugar a momentos flectores en las pén-dolas. La figura 11(a) muestra líneas de influen-cia típicas. Puede verse que los mayoresmomentos flectores surgen cuando el arco estaparcialmente cargado. Los peores casos de esteejemplo son las péndolas más cortas y más lar-gas. La figura 11(b) indica el desplazamiento delperfil y la distribución de los momentos flectoresen la péndola más corta. Los momentos de las

141

ASPECTOS ESPECIALES…

2q

q

q

q

Figura 10 Carga sobre la mitad del tiempo como combinación delos casos de carga simétrica y asimétrica

péndolas en el centro del vano están sujetos ainversión completa y, por lo tanto, es muy pro-bable que influyan en la vida a la fatiga. No obs-tante, su valor absoluto es bajo, justificándosesu inobservancia en el análisis global inicial. (Enel puente de ferrocarril Amsterdam-Rin, la ten-sión máxima a flexión era de 80 N/mm2).

Con el fin de reducirla magnitud de estas fluc-tuantes tensiones, es posi-ble reducir el momento deinercia mínimo de las pén-dolas mediante la reduccióndel ancho de ala.

4.2.2 Efectos loca-les en el tablero

El uso de tableros deacero de emparrillado abier-to en los puentes de ferroca-rriles es ahora muy raro,dada la demanda actual desuministro de balasto. En laspocas situaciones en las quese podría considerar una dis-posición del tablero de estetipo, es importante tener encuenta y combinar con losefectos globales cualquierefecto local adverso en eltablero que surja de una faltade coincidencia de los nive-les de la línea neutra de lasvigas de rigidez y de cual-quier larguero longitudinal otraviesa. Aquí no se da unaexplicación detallada dedichos efectos; sin embargo,se ofrece una descripción enla lección 18.5.

4.2.3 Vibraciones de las péndolas

Las péndolas y las barras largas y esbel-tas están sujetas a oscilaciones producidas porel viento. En el Apéndice A se resumen los méto-dos aproximados para garantizar que no ocurranvibraciones de magnitud no deseada.

142

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

(a) Líneas de influencia típicas de los momentos flectores en las péndolas

ϕ

ϕ

M

M

(b) Desplazamiento del perfil por flexión y distribución de los momentos flectores en la péndola más corta

Figura 11 Flexión (secundaria) de las péndolas

5. COMPARACIÓN ENTRE LOS TIPOS DE PUENTES EN ARCO

En secciones anteriores se han descritolas principales características del comportamien-to de los puentes en arco. Por consiguiente,resulta útil destacar las diferencias y semejanzasentre los diferentes tipos.

Tipos A y B: Las péndolas reciben carga atracción mediante carga no per-manente local y, por supuesto,carga permanente.

Tipos B y C: La fuerza a tracción en los tiran-tes provoca un alargamiento que

afecta a los momentos flectoresdel arco. Puesto que un tiranteposee una sección transversalmás pequeña que una viga derigidez, el efecto del alargamientoes mayor para el tipo B.

Tipo A: Se considera que no se produceel efecto de alargamiento si elestribo soporta el empuje.

Tipos A y B: Es imposible suprimir el arriostra-miento entre los dos arcos: lospórticos formados por la conexiónde las péndolas a los travesañosofrecen muy poco embridado alarco para impedir la inestabilidad.

143

COMPARACIÓN ENTRE LOS TIPOS DE...

6. CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE CONSTRUCCIÓNEl método de montaje adoptado depende

en gran parte de las circunstancias locales.Como no se puede dar una solución universal, acontinuación se exponen algunos ejemplos.

En la figura 12 se muestra la secuencia demontaje del puente de ferrocarril de arco contirante que cruza el Canal Amsterdam-Rin; y enla figura 13a la planta del tablero, en la 13b ladeformación de las vigas.

Se considera ventajoso utilizar un puenteen arco de Tipo C, con una jácena rígida, para unpuente de ferrocarril. La jácena, incluido el table-

ro, a menudo puede ser-vir como área de trabajopara el montaje del arco.

En cuanto a unarco con tirante, a veceses posible preensamblarcompletamente el puentey montar la estructurausando pontones. Unejemplo de esto es elpuente Van Brienenoord,que cruza el Mosa, enRotterdam.

Un arco sin tiran-tes se puede montar dela misma forma quitandolos tirantes después delmontaje del puente. Noobstante, el empuje hori-zontal provoca ciertoalargamiento de los tiran-tes, un efecto que debetenerse en cuenta duran-te el trabajo de taller y elmontaje.

Durante el monta-je del puente que cruza elWaal, Nimega, se utilizócomo área de trabajotemporal un puente quese montó posteriormenteen Dordrecht a través delMosa.

144

Fase 1

Fase 2

Fase 3

Fase 4

Fase 5

Separación

Figura 12a Montaje del puente arco (Tipo C) sobre el canal del Rin en Amsterdam(Fases 1-5)

145

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES…

Fase 6

Fase 7

Fase 8

Fase 9

Figura 12b Montaje del puente arco (Tipo C) sobre el canal del Rin en Amsterdam(Fases 6-9)

146

Mitad de la prolongación de la viga principal

Rigidizadores Rigidizadores

Viga principal Viga de raíl

Mitad de la prolongación de la viga principal

Las vigas de raíl son contínuas sobre las vigas transversales

Figura 13a Planta del tablero de un puente en arco para ferrocarril, tipo C

(a) Modelo de carga

ϕ ϕ

h

hϕ hϕ hϕ

(b) Perfil deformado

Diferencia del desplazamiento de puntos correspondientes, después de la deformación

Figura 13b Deformación vertical de las vigas principales de un puente en arco paraferrocarril: Tipo C

147

RESUMEN FINAL

7. RESUMEN FINAL

• Los puentes en arco pueden utilizarse parapuentes de ferrocarriles y de carreteras.

• El comportamiento de todos los tipos depuentes en arco es, en líneas generales,similar, pero recibe la influencia de la relati-va rigidez a la flexión del arco y la jácenahorizontal principal.

• Los estribos (un arco puro) o la jácena hori-zontal (un arco con tirante) pueden soportarel empuje horizontal del arco.

• Es necesaria la acción estructural delarriostramiento o bien del pórtico para esta-bilizar los arcos y resistir la carga del vien-to; muchas estructuras usan una combina-ción de ambas soluciones estructurales.

• El proyecto inicial se puede realizar eficaz-mente contando con uniones articuladascon pernos.

• El análisis final debe tener en cuenta la fija-ción de las uniones y el comportamiento tri-dimensional de la estructura.

• Los casos de cargas deben incluir las situa-ciones de carga parcial que controlan elcomportamiento transversal, la flexión delas jácenas, la flexión de las péndolas y ladeformación de la sección transversal.

• Se pueden adoptar varios métodos de mon-taje para los puentes en arco.

8. BIBLIOGRAFÍA

[1] O'Connor, Colin: Design of BridgeSuperstructures, Wiley, New York 1971.

[2] Leonhardt, F.: “Brucken/Bridges”, TheArchitectural Press, London, 1982.


1. Hartwig, H. J. and Hafke, B.: DieBogenBrücke über den Asker_fjord. Stahlbau 30(1960) 289-303, 365-377.

2. Stein, P., and Wild, H.: Das Bogentragwerkdes Fehmarnsundbrücke. Stahlbau 34 (1965)171-186.

3. Wittfoht, H.: “Building Bridges”, Beton-Verlag,Dusseldorf, 1984.

149

APÉNDICE A

APÉNDICE A: FORMAS PRÁCTICAS DE GARANTIZAR QUE LAS VIBRACIONES

DE LAS PÉNDOLAS SE REDUCEN AL MÍNIMO

Vibraciones de las péndolas en las vigas I

La posibilidad de vibraciones no deseadasse reduce en gran parte si se cumple la siguentecondición, en parte empírica y en parte teórica:

ω . b ≥ 8 m/s (A1)

donde:

ω es la frecuencia debida a la vibración de flexióno rotacional.

b es la dimensión de la péndola en la direccióndel viento.

Nota: “En gran parte” significa que la posi-bilidad de vibración no se excluye completamen-te. Es un buen método tomar medidas preventi-vas para suprimir las vibraciones visualmentedesagradables si aún se producen.

El requisito proporcionado por la ecuación(A1) es bastante oneroso para las péndolas muylargas.

Para emplear la ecuación (A1), es nece-sario calcular las frecuencias propias de flexión(ω' b) y torsionales (ω' r).

(A2)

(A3)

Im es el momento de inercia másico

Iy es el momento de inercia del área con respec-to al eje de flexión

It es la constante de torsión

A es el área de la sección transversal

Cw es la constante de alabeo,

F es el esfuerzo axial en la péndola

m es la masa de la péndola por unidad de longitud

L es la longitud de la péndola

Una forma importante de evitar la oscila-ción es garantizar una diferencia suficiente entrelas dos frecuencias. La diferencia de frecuenciasse puede obtener:

• usando una sección hueca circular o enforma de cajón como péndola, aumen-tando así las constantes de torsión y ala-beo en toda la longitud de la péndola.

• utilizando perfiles tubulares localmente,por ejemplo, añadiendo chapas entrelas alas de la viga I en parte de su lon-gitud. Sin embargo, una disposición deeste tipo puede ocasionar dificultadesde conservación.

• ajustando Ix e Iy.

Si se utilizan cables, no puede producirseoscilación, ya que no puede tener lugar el modotorsional de vibración.

Derramamiento Vorticial

Los cables y las secciones huecas circula-res pueden desarrollar vibraciones significativascomo consecuencia del derramamiento vorticial.Las turbulencia se generan a partir de los ladosalternos del cable con una frecuencia Fw determi-nada por:

(A4)

donde:

v es la velocidad del viento [m/s]

D es el diámetro del cable [m]

0,2 es el número de Strouhal

Para evitar la acción debida al derrama-miento vorticial, la frecuencia del cable, Fc,debería evitar un dominio alrededor de:

FvDc = 0 1,

FvDw = 0 2,

y z dy dzA

2 2∫

′ =+

ω ππ

b

y

L

FEI

Lm

2

2

150

′ =+

ω ππ

r

tw

mL

GIE C

LI

2ω' r

ω' b



151

153

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Describir las principales característicasde los actuales puentes de cables inclinados deacero y ofrecer pautas para su diseño y análi-sis.


Ninguno

LECCIONES AFINES




Lección 18.4: Puentes de Vigas Armadasy Laminadas



RESUMEN

Se describe el continuo desarrollo de lospuentes de cables atirantados desde la década de1950 y se presenta la disposición de los cables devientos, las condiciones de apoyo de la jácena, losplanos de los cables y el tipo de jácena. Se hablasobre la elección de los elementos y se describenaspectos especiales del comportamiento y el aná-lisis. También se describen las uniones especialesnecesarias y se ofrecen las características espe-ciales de construcción.

1. INTRODUCCIÓN

Durante siglos se han construido puentesde cables atirantados, pero hasta la década delos años 50 no se desarrollaron de forma equi-valente a otros tipos de puentes, tales como losde celosías, los de arco y los colgantes.

Sin embargo, desde la finalización delpuente Strömsund en 1955, el puente de cablesatirantados se ha perfeccionado continuamente.Durante este período se ha presentado enmuchas más variantes que cualquier otro tipo depuente.

El puente de cables atirantados se utilizaprincipalmente para puentes de carreteras, yasea para carreteras estrechas de 2 carriles comopara amplias autopistas de 6 u 8 carriles.

Otra aplicación se encuentra dentro delcampo de los puentes para peatones, donde los

puentes de cables atirantados resultan ventajo-sos también para tramos más pequeños.

Por último, en algunos casos, se han dise-ñado puentes de cables atirantados que sopor-tan líneas de ferrocarril.

El puente de cables atirantados se ha emple-ado para un intervalo de luces comprendido entre150 m y 400 m aproximadamente, donde ha resulta-do ser muy competitivo frente a los puentes de celo-sía, puentes en arco y puentes de vigas en cajón.Últimamente, el puente de cables atirantados hacomenzado a incrementar su intervalo de luceshasta casi los 900 m, es decir, entrando en un inter-valo de luces que anteriormente ha formado parteexclusivamente del ámbito de los puentes colgantes.

El impresionante desarrollo de los puentesde cables atirantados se refleja en la tabla 1, quemuestra los puentes de cables atirantados másgrandes que se han construido de 1955 a 1993.

154

AÑO

1955

1957

1961

1969

1970

1975

1983

1986

1991

1992

1995

1999

TRAMO M

183

260

302

319

350

404

440

465

490

530

856

890

NOMBRE

Puente Strömsund

Puente Theodor Heuss

Puente Severins

Puente Knie

Puente Duisburg-Neuenkamp

Puente St. Nazaire

Puente Barrios de Luna

Puente Alex Fraser

Puente Iguchi

Puente Kvarnsund

Puente Normandy

Puente Tatara

PAÍS

Suecia

Alemania

Alemania

Alemania

Alemania

Francia

España

Canadá

Japón

Noruega

Francia

Japón

MATERIALDE JÁCENAEN CENTRO DE VANO

Acero

Acero

Acero

Acero

Acero

Acero

Hormigón

Mixto

Acero

Hormigón

Acero

Acero

Tabla 1 Evolución de la longitud de los tramos en los puentes de cables atirantados

2. TIPOS

El puente de cables atirantados está for-mado por la viga del puente, los cables de vien-tos y las torres (figura 1).

2.1 Disposición del cableado

En cuanto al sistema de cables, general-mente se pueden encontrar dos configuracionesprincipales: el sistema en abanico, figura 1a, y elsistema en arpa, figura 1c.

La configuración en abanico da lugar al sis-tema estructural más eficaz, ya que se componeen su totalidad de triángulos. Por contraste, el sis-tema en arpa contiene principalmente cuadriláte-ros, y, por consiguiente, se requiere una resisten-cia a la flexión adicional de la jácena o la torre, conel fin de soportar una carga no uniforme.

En el sistema en abanico puro, todos loscables salen en forma radial desde la parte

superior de la torre, como se indica para elSistema (a). No obstante, en muchos casos serácomplicado anclar todos los cables en un puntoen la parte superior de la torre. Para evitar estadificultad, el sistema en abanico a menudo semodifica de forma que los anclajes de los cablesen la parte superior de la torre se extienden auna cierta altura, como se muestra para elSistema (b).

Siempre que los anclajes de los cables seconcentran en una zona relativamente reducida enla parte superior de la torre, no existe diferenciasignificativa entre el comportamiento de los puen-tes con abanico puro o con abanico modificado.

La eficacia del sistema en arpa puedeaumentarse de manera significativa mediante laadición de apoyos intermedios en los tramoslaterales, como se indica por medio de líneas depuntos en el Sistema c de la figura 1.

En los modernos puentes de cables ati-rantados, el sistema de cables posee general-

155

TIPOS

Sistema de cables

TorreJácena(a) Tirantes en abanico

(b) Tirantes en abanico medificados

(c) Tirantes en arpa

Figura 1 Tipos de puentes atirantados

mente la configuración de cables múltiples, en laque cada viento consta de un monofilamentoprefabricado en longitud completa y seccióntransversal completa. Para obtener esta disposi-ción, es necesario colocar los cables poco espa-ciados. Por lo tanto, se elige una distancia entrelas sujeciones de los cables en la jácena deentre 10 y 20 m.

2.2 Condiciones de apoyo de la jácenaLos puentes de cables atirantados gene-

ralmente se construyen como sistemas autoan-clados, en los que las condiciones de apoyo seeligen de forma que la carga vertical procedentedel peso propio y del tráfico introduzca única-mente reacciones verticales.

Esta carga se puede obtener apoyando laviga de rigidez en una estructura de apoyo fija yen tres estructuras de apoyo móviles longitudi-nalmente, como se indica en la figura 2apara un sistema con las torres sujetas a laviga de rigidez.

Sin embargo, existen muchas va-riantes de este sistema básico y en algunossistemas podrían producirse reaccioneshorizontales de magnitud media, debido afenómenos de compatibilidad.

Por ejemplo, la figura 2b muestra unsistema con una estructura de apoyo empo-trado en el extremo y torres que están uni-das rígidamente a la infraestructura.

En cuanto a este sistema, el alar-gamiento del cable de anclaje izquierdohará que la parte superior de la torreizquierda se desvíe en dirección longitudi-nal, introduciendo flexión y cizallamientohorizontal. Además, la contracción de lajácena, p. ej., bajo la carga debida al tráfi-co, dará como resultado un desplazamien-to longitudinal de la estructura de apoyodel extremo móvil hacia la derecha y estedesplazamiento se transmitirá parcialmen-te a la parte superior de la torre derecha

mediante el cable de anclaje derecho.

También debe advertirse que los alarga-mientos o las contracciones de la jácena, debi-dos a los efectos de temperatura, introducirándesplazamientos de las partes superiores de lastorres, y, por esa razón, cizallamiento horizontalen los pies de las torres.

En algunos puentes de cables atiranta-dos, la jácena tendrá apoyos verticales directossólo en las pilas extremas, mientras que podrámoverse verticalmente en las torres. Con estesistema, se puede lograr una total simetría conlas variaciones de temperatura si ambas estruc-turas de apoyo de los extremos son móviles lon-gitudinalmente, como se indica en la figura 2c.Además, con este sistema, los esfuerzos longitu-dinales, p. ej., procedentes del frenado, tendránque transmitirse al suelo mediante la flexión delas torres. Por lo tanto, este sistema sólo sepuede aplicar si los esfuerzos longitudinales sonde intensidad media.

156

Cable anclado

(a)

Base de las torres conectadas rígidamente a la subestructura

Base de las torres conectadas rígidamente a la subestructura

(b)

(c)

Figura 2 Condiciones de soporte de los puentes atirantados

2.3 Posición de los planos de los cables y tipos de jácena

En la sección transversal, el sistema decables generalmente está dispuesto en un planovertical sobre la línea media, en dos planos ver-ticales en las aristas de la jácena o en dos pla-nos de cables inclinados, como se muestra en lafigura 3.

Un plano de cables centrales con loscables de vientos sujetos a lo largo del eje de lajácena proporcionan apoyo vertical (elástico) a lajácena, pero no apoyo torsional. Por consiguien-te, es esencial que la jácena posea suficienteresistencia a la torsión para transmitir cualquiermomento de torsión procedente de una cargacon un resultante excéntrico, p. ej., la carga debi-da al tráfico en una sola calzada.

Para obtener la resistencia a la torsiónrequerida, la jácena tendrá que ser de tipo cajón,(figura 3a).

Con dos planos de cables verticales suje-tos a lo largo de las aristas de la jácena, se pro-porciona apoyo tanto vertical como torsional

mediante el sistema de cables y, por consiguien-te, no es necesario que la jácena posea en símisma resistencia a la torsión.

La jácena puede constar simplemente dedos vigas armadas en I situadas directamentebajo los planos de los cables, (figura 3b).

Con dos planos de cables inclinados quese crucen en la parte superior de la torre, la viga,en principio, obtiene el mismo apoyo de loscables que con dos planos de cables verticales.En este caso, tampoco se requiere una jácenacon resistencia a la torsión.

En los puentes de cables atirantados detramos muy largos, donde la resistencia a la tor-sión se hace esencial para conseguir estabilidadaerodinámica, con frecuencia es ventajoso com-binar una viga en cajón con dos planos de cablesy además proporcionar a la viga una forma aero-dinámica favorable, como se ilustra en la figura3c. Sin embargo, se debería subrayar que unadisposición como la de la figura 3c sólo es nece-saria para tramos muy largos (superiores a 500m) o para relaciones pequeñas entre luz y canto(inferiores a 1/25).

157

TIPOS

(a) (b) (c)

Figura 3 Posible ubicación de los planos de cables


3.1 Cableado

La ventaja principal de la aplicación de unsistema de apoyo por cables a los puentes serelaciona con el hecho de que el acero de loscables puede fabricarse con una resistenciamucho mayor que el acero de construcción.

En cuanto a los alambres de acero esti-rado en frío, de un diámetro de 5-7 mm, seobtiene fácilmente una resistencia a la rotura de1600 MPa, mientras que el acero de construc-ción posee una resistencia a la rotura de 350-500 MPa. En otras palabras, el acero de cableses 3-4 veces más resistente que el acero deconstrucción normal. Esta diferencia implicaque un elemento bajo tracción pura, si estáfabricado en acero de cables, tendrá una sec-ción transversal (y un peso) que es sólo el 25-33% de lo que se requiere con el acero deconstrucción.

Cada cable se compone de un grannúmero de alambres, o bien de forma circular ydiámetros comprendidos entre 5 y 7 mm, o biende una forma especial que proporciona un gradomayor de compacidad y una superficie másdensa.

En el denominado cable cerrado, figura 4,las capas exteriores se componen de alambresen forma de Z que se unen apretadamente,mientras que las capas de alambres interioresson cilíndricas. Todas las capas son helicoidalesy en ellas, la dirección de la hélice cambia deuna capa a la siguiente.

Debido a la torsión de los alambres, elcable cerrado se hace autocompacto, de formaque no es necesaria una envoltura. Al mismotiempo, los alambres en Z entrelazados de lascapas exteriores garantizan una superficie com-pacta del cable bajo tracción y, por consiguiente,la resistencia a la corrosión necesaria a menudopuede obtenerse simplemente galvanizando losalambres.

En los cableshelicoidales, la rigidezaxial recibe la influen-cia de la torsión de losalambres y, por lotanto, el módulo deelasticidad se reduceen un 15-25% hastaun valor típico de 170

× 103 MPa.

La torsión delos alambres también influye ligeramente en laresistencia a la fatiga, de forma que la variacióndel esfuerzo soportado por el cable es máspequeña que para los propios alambres.

En el otro tipo de cable, el torón de alam-bres paralelos (TAP), los inconvenientes del fila-mento helicoidal se eliminan al estar todos losalambres paralelos y rectos (o retorcidos con uncolchado de paso muy largo correspondiente aun ángulo de torsión inferior a 3°).

Con los cables paralelos y rectos, el cableno posee un efecto autocompacto. Por consi-guiente, se necesita una envoltura especial paramantener unido el mazo de alambres y estable-cer la necesaria protección frente a la corrosión.

En los primeros puentes de cables atiranta-dos con torones de alambres paralelos (TAP), losalambres generalmente estaban sin tratar (no gal-vanizados) y la protección frente a la corrosión secreaba colocando los alambres dentro de un tubode polietileno, en el que se inyectaba lechada decemento después del montaje del cableado.

En las creaciones más recientes, el TAP secompone de alambres galvanizados y la lechadade cemento se sustituye por un compuesto anti-corrosivo o el tubo se moldea a presión directa-mente en el mazo de alambres, figura 5.

3.2 Jácena

En los puentes de acero, la jácena secompone de paneles de acero rigidizados,

158

Figura 4 Cable cerrado

como se ilustra para una viga en cajón en lafigura 6.

La chapa del tablero generalmente tiene unespesor de 12-14 mm y está rigidizada mediantenervios longitudinales, que proporcionan apoyo a

lo largo de líneas que están a una distancia de 300mm, es decir, con nervios trapezoidales unidoscada uno a lo largo de dos líneas, la distancia entrelos centros de los nervios es de 600 mm.

Los nervios longitudinales se apoyan envigas transversales o diafragmas separados a unadistancia de 2,5-4 m, y estos elementos transver-sales se unen finalmente a la viga principal. Deeste modo, la transferencia de cargas por ruedaconcentradas, que actúan en el tablero del puen-te, hacia la viga principal, provoca la flexión en lachapa del tablero, así como la flexión más el ciza-llamiento, tanto en los nervios longitudinales comoen las vigas transversales o los diafragmas. Estoda lugar a una distribución bastante complicadade las tensiones biaxiales en la chapa del tablero.Para determinar esta distribución, el sistemaestructural local debe modelarse como un empa-rrillado ortogonal de elementos de viga.

Las almas y la chapa inferior de la viga encajón también tienen que rigidizarse mediante ner-vios longitudinales y transversales. En este caso,el objetivo principal de los rigidizadores es impedirel pandeo: un fenómeno cuya consideración esespecialmente importante, ya que la jácena formauna parte importante del sistema estructural pri-mario al transmitir a compresión los componenteshorizontales de las fuerzas de los cables.

159


Polietileno de alta densidad

Tubo de envoltura

Figura 5 Cordón de alambres paralelos

Chapa 12-14 (usual)

A

A

600 (usual) 2500-4000

Diafragmas de soporte y puntos de anclaje de los cables

Sección A - A

Figura 6 Montaje de una viga en cajón

Los diafragmas completos, ya estén cubier-tos de chapa o arriostrados, se colocan general-mente en todos los puntos de anclaje de los cablesy en las torres, mientras que los elementos trans-versales intermedios pueden estar formados porvigas armadas relativamente delgadas.

Para una jácena con una sección trans-versal abierta y un tablero de hormigón, sepuede obtener un sistema estructural eficaz apli-cando vigas armadas directamente bajo los pla-nos de los cables e interconectando estas vigasprincipales por medio de jácenas transversales aintervalos de 3-5 m (figura 7).

Con este sistema, las jácenas transversa-les están sometidas a momentos positivos en sulongitud completa, de forma que se puedenbeneficiar totalmente de una actuación conjuntacon la losa de hormigón. De modo parecido, laacción conjunta también es favorable para lasjácenas longitudinales, que están sometidas acompresión por los componentes horizontalesde la fuerza de los cables.

Por consiguiente, tanto las vigas princi-pales como las jácenas transversales poseenespárragos de cizallamiento en sus alas supe-riores.

3.3 Torre

La configuración de la torre está estrecha-mente relacionada con la disposición del sistema

de cables, ya que la función principal de la torrees soportar los cables.

En los puentes con un plano de cablecentral, la torre se puede diseñar como unsoporte aislado o como una estructura enforma de lambda, tal como se muestra en lafigura 8a.

La torre vertical aislada en el centro deltablero del puente es muy apropiada para sopor-tar un sistema de cables tanto en forma de arpacomo en forma de abanico, mientras que la torreen forma de lambda requiere un sistema en aba-nico modificado.

La torre vertical debe tener una unión demomento rígido o bien con la viga principal enforma de cajón, o bien con la pila del puente,para que sea estable en la dirección lateral.

En la mayoría de los casos, los piesinclinados de la torre en forma de lambdapasan por fuera de la jácena sin unión di-recta.

En los puentes con dos planos de cablesverticales, la torre puede constar de dos sopor-tes verticales o formar una estructura de pórtico,como se muestra en la figura 8b. Por lo que serefiere a las condiciones de apoyo en la parteinferior y a la disposición del sistema de cables,la doble torre de (b) se corresponde fielmente ala torre simple semejante de (a).

160

A

A

Sección A - A

Figura 7 Montaje de una viga compuesta

Con dos pla-nos de cables incli-nados, en muchoscasos la torre tieneforma de A, figura8c, en combinacióncon un sistema enabanico modifica-do. En teoría sonposibles otras com-binaciones.

La sección transversal de la torre general-mente forma un cajón rectangular con una únicacelda. Debido a la compresión predominante, esnecesario rigidizar las chapas laterales, princi-palmente con rigidizadores longitudinales, comose muestra en la figura 9.

Se requieren diafragmas transversalespara soportar los rigidizadores longitudinales aciertos intervalos. Debido al hecho de que seaplica una torsión muy pequeña a la torre, no esnecesario que los diafragmas sean muy rígidos.Por lo tanto, pueden hacerse con aberturas rela-tivamente grandes (registros) para facilitar la ins-pección y el mantenimiento.

En las zonas de anclaje de los cables, qui-zás sea necesario añadir diafragmas horizonta-les y/o mamparas verticales más resistentes,para garantizar la transmisión de las fuerzas delos cables a la sección transversal de la torre y alos cables del lado opuesto.

161


Figura 9 Sección transversal tipo de una torre

(a) Plano de cable central

(b) Planos de cables paralelos

(c) Dos planos de cables inclinados

Figura 8 Formas de torre

4. ASPECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO Y ANÁLISISEn cuanto al diseño de los elementos

estructurales de un puente de cables atiranta-dos, en muchos casos es suficiente utilizar unprograma estándar de análisis de estructurasbidimensionales o tridimensionales.

En los puentes con un solo plano de cablecentral, un sistema estructural bidimensional esadecuado para analizar la estructura bajo unacarga vertical producida por la carga permanente y

la carga debida al tráfico. Este análisis proporcionalas fuerzas en los cables, así como los esfuerzosaxiales, los esfuerzos de cizallamiento y losmomentos flectores flexión en la jácena y las torres.

En cuanto a la torsión que se produce en lajácena bajo una carga debida al tráfico unilateral,la jácena se puede analizar posteriormente sintener en cuenta el sistema de cables y la torre. Elmismo tipo de análisis se aplica a la jácena bajouna carga lateral, p. ej., la carga del viento.

En puentes con dos planos de cables, elmodelo matemático tiene que ser tridimensional.

En un puente con dos vigasprincipales, (véase la figura 3b), elmodelo matemático debe ser el quese indica en la figura 10a, es decir,con dos elementos longitudinalesque formen las vigas principales y ungran número de vigas que formen lasjácenas transversales. En la mayoríade los casos, los cables pueden pro-yectarse como barras rectas quesoportan tracción pura.

En los puentes con una solajácena en forma de cajón y dos pla-nos de cables, como se ilustra en lafigura 3a, el modelo matemático debeestar formado por una sola jácenalongitudinal con la resistencia a la fle-xión y a la torsión de la viga principalen forma de cajón. En los puntos desujeción de los cables, la viga centraldebe estar unida a los elementos devigas transversales, como se ilustraen la figura 10(b).

En el análisis, el cable enmuchos casos no se considera comouna barra recta sometida a tracciónpura. En realidad, un cable inclinadoestá siempre ligeramente curvado,debido a la acción del propio peso delcable.

En los cables largos, la flecha,o, mejor dicho, las desviaciones de la

162

(a) Dos planos de cables y vigas compuestas

(b) Dos planos de cables inclinados y viga en cajón

Figura 10 Modelos analíticos para puentes de cables inclinados

flecha, tienden a reducir la rigidez axial, puestoque el alargamiento no se debe solamente a lasdeformaciones elásticas de los alambres decables, sino también a la reducción de la flecha,como se ilustra en la figura 11.

En los cables con proyecciones horizonta-les de hasta 150 m y variaciones moderadas detensiones, el efecto de la flecha generalmentepuede ignorarse, pero en cables más largos, larigidez del apoyo de los cables se sobrevalora sisolamente se tiene en cuenta la deformaciónaxial.

El efecto de la flecha puede tenerse encuenta en el análisis mediante la sustitución delmódulo de elasticidad E real del material delcable por un módulo de elasticidad Eeq equiva-lente, determinado por:

(1)

donde

γ es la densidad del material del cable

a la proyección horizontal del cable

σ1 es la tensión inicial, de la carga permanente

σ2 la tensión final (de carga permanente + nopermanente)

La ecuación (1), que introduce un módulosecante, requiere una iteración en el análisisestructural, ya que la tensión final σ2 se desco-noce desde el principio.

En los cables con variaciones modera-das de tensiones y proyecciones horizontalesde hasta 250-300 m, es admisible sustituir elmódulo secante de la ecuación (1) por unmódulo tangente Etan, obtenido simplementemediante la introducción de σ2 = σ1 en la ecua-ción (1):

(2)EE

a Etan =

+112

2 2

13

γσ

EE

aE

eq =+ +

1

2422 2

1

12

22

γ σ σσ σ

163

ASPECTOS ESPECIALES DE...

C

Aσ1

Aσ1

f1

a

Aσ2

Aσ2

f2 = σ1

σ2f1

Cσ2 - σ1

Eeq

Figura 11 Influencia de la gravedad sobre la rigidez de los cables

En este caso, se puede evitar una itera-ción, puesto que el módulo tangente dependesolamente de la tensión inicial σ1.

Al aplicar el método del módulo secante,que es más exacto, el primer paso de la itera-ción a menudo se basa en las rigideces axialesde los cables que se obtienen en la ecuación(2), mientras que los pasos siguientes se basanen rigideces determinadas a partir de la ecua-ción (1).

La torre está sometida principalmente acompresión procedente de los componentes ver-ticales de las fuerzas de los cables. Por estarazón, es muy importante tener en cuenta el pan-deo del soporte al diseñar la torre.

Por consiguiente, es esencial determinarminuciosamente la longitud de pandeo delsoporte que se va a aplicar en cada caso real.Para ilustrar esta característica, se ofrecen tresejemplos en la figura 12.

La figura 12amuestra el pandeo late-ral de una torre aisladaque soporta un sistemaen abanico puro en laparte superior. La longi-tud de pandeo 1c esigual a la altura de latorre h, debido al hechode que el plano de loscables gira con el puntode anclaje en la partesuperior de la torre, deforma que la resultantede las fuerzas de loscables todavía se dirigehacia el eje del puente.

Si se hubiera ig-norado este efecto, en-tonces la longitud de

pandeo de la torre aislada se habría especifica-do como dos veces la altura de la torre, es decir,una condición mucho más grave.

La figura 12b muestra el pandeo de unatorre en dirección longitudinal, en un sistema enel que la jácena está apoyada longitudinalmenteen la pila del extremo. En este caso, el cable deanclaje que va desde la estructura de apoyoempotrado hasta la parte superior de la torre res-tringe el movimiento de la parte superior de latorre en dirección longitudinal y, por lo tanto, lalongitud de pandeo del soporte en el plano seaproxima a 0,7 veces la altura de la torre.

Por último, la figura 12c muestra el pan-deo de una torre en un sistema en el que la jáce-na no posee restricción longitudinal a través delas estructuras de apoyo fijo. En este caso, elpandeo viene acompañado de una deformaciónlongitudinal de la jácena, de forma que la reac-ción del cable permanece vertical. Por consi-guiente, la longitud de pandeo es dos veces laaltura de la torre.

164

hh

h

(a) (b)

(c)

Figura 12 Estabilidad de las torres

5. UNIONES

En los puentes de cables atirantados, serequieren uniones especiales para permitir latransmisión de las fuerzas de los cables a lajácena y a la torre.

Debido al hecho de que la alta resistenciade los alambres se consigue con un contenidoen carbono aproximadamente cinco veces mayorque en el acero de construcción normal, losalambres no se pueden soldar.

En lugar de eso, se sujetan medianteanclajes a los extremos del mazo de alambresque forma el cable.

Los anclajes están hechos de acero fun-dido en forma de cilindro corto con una cavidadcónica, figura 13. Dentro de esta cavidad, el fila-mento está deshilachado y, por consiguiente, elespacio está lleno de una aleación metálica dezinc o una mezcla de resina epoxídica, polvo dezinc y bolas de acero.

La transmisión de la fuerza de los cablesdesde el anclaje a la estructura adyacente seestablece como presión de contacto en la caraextrema o a través de una rosca a una tuerca. Elanclaje también podría tener una forma que per-mitiese una unión articulada.

Durante el montaje, la longitud de loscables debe ajustarse introduciendo calzos entreel anclaje y el sistema resistente o bien girandola tuerca.

Para modificar la longitud del cable, sóloes necesario realizar ajustes en un extremo (enel anclaje activo). De este modo, no hay necesi-dad de realizar ajustes en el otro extremo (elanclaje pasivo).

El anclaje activo puede colocarse en lajácena o en la torre. La elección entre estas dosposibilidades depende de la accesibilidad encada ubicación concreta.

En los actuales puentes de cables atiran-tados, con cables hechos de monofilamentos, se

requiere generalmente que los cables se puedansustituir en el caso de corrosión o fatiga que con-dujeran a roturas de los alambres. Por lo tanto, eldetalle de anclaje debería también permitir queel cable se pudiera soltar y retirar en la condiciónde servicio.

A la hora de diseñar el punto de anclajedel cable en la jácena, es necesario estudiarminuciosamente la transmisión del componentetanto vertical como horizontal de la fuerza delcable.

A lo largo de la historia de los puentesde cables atirantados, se ha desarrollado uninmenso número de detalles de anclaje paralas condiciones especiales en el nivel de lajácena.

Como ejemplo, la figura 14 muestra unasolución sencilla para el anclaje de un cable cen-tral a una viga en cajón. En este caso, la fuerzadel cable se transfiere desde el anclaje a travésde una placa de apoyo a dos chapas de uniónsoldadas a la chapa del tablero y a un diafragmacubierto de chapa. De este modo, la componen-te horizontal de la fuerza del cable se transfierea la chapa del tablero mediante cizallamiento enla soldadura longitudinal y la componente verti-cal al diafragma mediante cizallamiento en la sol-dadura vertical.

Se pone de manifiesto que la chapa deltablero y el diafragma deben cruzarse exacta-mente en el eje del cable, con el fin de excluir losmomentos debidos a la excentricidad.

165

UNIONES

Figura 13 Culote de anclaje de cable

En la torre, los cablesde podrían estar anclados adiafragmas secundarios in-clinados que se extiendanentre las dos chapas latera-les longitudinales de la torre,tal como se ilustra en la figu-ra 15 para una torre quesoporta un sistema en aba-nico modificado.

166

Chapa del tablero

Placa de apoyoAcoplamiento

Cartela de chapa

Diafragma

Figura 14 Sistema de anclaje de un cable central a una viga en cajón

Diafragmas secundarios (usuales)

Figura 15 Sistema de anclaje de los cables a la torre en un puente de tirantes en abanico modificado

6. CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE CONSTRUCCIÓN

El éxito del puente de cables atirantados serelaciona en gran medida con el eficaz procedi-miento de montaje que lo caracteriza. Así, se puedemontar un puente de cables atirantados mediantemontaje en voladizo libre desde la torre, ya seasimétricamente en ambas direcciones (figura 16a) osolamente hacia el tramo principal (figura 16b). Enel último caso, el tramo lateral se monta inicialmen-te como un puente de vigas de alma llena normal.

Con el montaje en doble voladizo, figura16a, debe recordarse que toda la estabilidad enla etapa temporal depende de la resistencia a laflexión y de la fijación de la torre. En algunoscasos, esta resistencia rige el diseño de la torre.

Con el montaje en voladizo sólo hacia eltramo principal (figura 16b), los cablesse instalan generalmente por pares,de forma que el abanico (o arpa) deltramo lateral se monta simultánea-mente con el del tramo principal.

Generalmente, una secuen-cia de montaje comprende lossiguientes pasos:

1. Montaje en voladizo de lajácena desde un punto deanclaje del cable al siguien-te; en la mayoría de loscasos, se consigue elevan-do las unidades de jácenasmediante una pluma conmovimiento vertical coloca-da en el tablero del puente.

2. Montaje del cable, que amenudo se realiza desenro-llando un filamento prefabri-cado de una bobina situadaen el tablero del puente.

3. Tensado controlado delcable mediante la eleva-ción con el gato en elanclaje activo.

4. Desplazamiento de la grúa a la puntade la jácena.

En muchos casos, el cable está sometidoa su tracción máxima después de montar envoladizo la jácena al siguiente punto de anclajedel cable. Posteriormente, se alivia la traccióncuando se tensan los siguientes cables.

Es sumamente importante darse cuentade que la distribución de los momentos de cargapermanente en la jácena se rigen en su totalidadpor el tensado de los cables durante el montaje.Por lo tanto, puede lograrse una óptima distribu-ción de los momentos de carga permanentemediante la elección de la tracción inicial delcable de acuerdo con esto.

El análisis necesario de las etapas demontaje puede realizarse convenientemente“hacia atrás”, es decir, eligiendo inicialmente una

167

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE...

(a)

(b)

Figura 16 Método de montaje

distribución deseada de los momentos de cargapermanente y, a continuación, “desplazándosehacia atrás” mediante la “demolición” de laestructura en las mismas etapas que se presu-ponen para el montaje.

Determinar los momentos de carga per-manente sometiendo la estructura final a lacarga permanente de los elementos estructura-les no sólo es erróneo, sino que además esantieconómico en muchos casos.

168

7. RESUMEN FINAL

• Los modernos puentes de cables atirantadosabarcan un intervalo de tramos de aproxima-damente 150 m a 900 m (para puentes decarreteras).

• El sistema de cables se compone de cables rec-tos en una configuración en abanico o en arpa.

• La sección transversal de la jácena se eligeteniendo en cuenta el apoyo que ofrece el sis-tema de cables. Con sólo un plano de cablescentral, la jácena debe poseer una considera-ble resistencia a la torsión.

• La separación de los cables debe elegirse deforma que cada viento pueda constar de unúnico filamento (cables monofilamento).

• Para los cables con una proyección horizontalsuperior a 150 m, en el análisis se debe teneren cuenta el efecto de flecha no lineal.

• La distribución de los momentos de carga per-manente en la jácena debe determinarse con-siderando el tensado inicial de los cablesdurante el montaje.


1. Gimsing, N.J.; Cable Supported Bridges,Concept and Design, John Wiley and Sons,Chichester, 1983.

2. Walther, R.; Houriet, B.; Isler, W.; Moia, P.:Ponts Haubanés, Presses PolytechniquesRomandes, Lausanne, 1985.

3. Podolny, W. Jr. and Scalzi, J.B.: Constructionand Design of Cable-Stayed Bridges, John Wileyand Sons, New York, 1986.

4. Roik, K.; Albrecht, G.; Weyer, U.:Schrägseibrücken, W. Ernst & Sohn, Berlin,1986.

5. Troitsky, M.S.; Cable-Stayed Bridges: Theoryand Design, BSP Professional Books, Oxford,1988.

169

RESUMEN FINAL



171

173

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Presentar los principales conceptos ydefiniciones acerca de los puentes colgantes.


Ninguno

LECCIONES AFINES

Lección 5.4: Protección contra la Corro-sión de Puentes



Lección 18.4: Puentes de Vigas Armadas yLaminadas


Lección 18.6: Puentes de Vigas en Cajón


RESUMEN

Esta lección comienza con una introduc-ción histórica a los puentes colgantes, en laque se hace énfasis en los “saltos” en el desa-rrollo de sus luces. Se abordan los diversostipos de puentes colgantes y se presentan porseparado sus partes principales, es decir,cables principales, péndolas, torres y vigas derigidez.

Se presenta la influencia de la temperatu-ra y de la acción aerodinámica. Por último, seofrecen algunas notas sobre análisis estructuraly montaje.

1. INTRODUCCIÓN

Generalmente, los puentes sustentadospor cables pueden dividirse fundamentalmente endos grupos, puentes de cables atirantados (véasela lección 18.7) y puentes colgantes. Su uso dalugar a una solución competitiva para luces com-prendidas entre 200 m y 1500 m (y más). Por lotanto, abarcan la mayor parte del actual intervalode luces de puentes. Estos dos grupos, aunquesimilares en cuanto a su filosofía, presentanmuchas diferencias en la práctica. Una de las prin-cipales razones de su superioridad en relacióncon otros tipos de puentes es la manera más efi-caz en que emplean los materiales, dado que conuna tensión directa bajo la cual todas las fibrasposeen la misma tensión, se produce un aprove-chamiento completo del material.

En esta lección se habla del puente col-gante convencional. En la figura 1 se ofrece lanomenclatura pertinente.

Desde principios del siglo XIX, el tamaño delos puentes colgantes ha aumentado progresiva-mente y desde 1930, el puente colgante ha domi-nado por completo el intervalo de luces superior.

La tabla siguiente indica el desarrollo delos tramos:

En esta tabla se pueden distinguir dos"saltos" específicos en el desarrollo de las luces:

• 1883 El puente de Brooklyn es un 50%más largo que cualquier puente colgan-te construido anteriormente.

174

Puente

Puente del estrecho de Menia

Puente colgante Clifton

Puente colgante Cincinnatti y Covington

Puente de Brooklyn

Puente Philadelphia-Camden

Puente George Washington

Puente Golden Gate

Puente Tacoma Narrows

Mackinac

Estuario de Forth

Puente Severn

Puente Humber

Puente Great Belt East

Puente Akaski Kaikyo (figura 2)

Ubicación

Gales

Inglaterra

EE.UU.

EE.UU.

EE.UU.

EE.UU.

EE.UU.

EE.UU.

EE.UU.

Escocia

Inglaterra

Inglaterra

Dinamarca

Japón

Año

1826

1860

1865

1883

1926

1931

1937

1940

1958

1964

1966

1981

1997*

1998*

Centro del tramo (m)

168

214

322

480

535

1066

1280

853

1158

1002

988

1410

1624

1990

* en construcción

• 1931 El puente George Washington,que tenía prácticamente el doble deltramo libre de los puentes existentes.

A medida que el diseño de los puentescolgantes siguió perfeccionándose, la jácena sehizo cada vez más ligera, la viga principal cadavez menos resistente a la torsión y los proyectis-tas más y más audaces.

En noviembre de 1940 tuvo lugar una sor-presa muy desagradable cuando el puenteTacoma Narrows se desplomó debido a los efec-tos del viento.

Desde entonces, los progresos que sehan realizado se han debido a:

a. Nuevos conceptos, p. ej., tableros orto-trópicos.

b. Nuevos métodos de cálculo, p. ej., cal-culadoras electrónicas.

c. Nuevos materiales, p. ej., acero de altaresistencia y hormigón.

d. Nuevos métodos de trabajo de taller ymontaje (atornilladura, soldadura, fabri-cación en serie, modernos equipos, etc.).

e. Mejor control de calidad.

f. Mejor comprensión de las fuerzas delviento y sísmicas, p. ej., obtenidas enpruebas en el túnel aerodinámico, etc.

La mayoría de los puentes colgantes sopor-tan solamente el tráfico rodado, pero un númeroreducido soporta también el tráfico del ferrocarril.

En aplicaciones más especiales, el siste-ma de suspensión también se utiliza en puentespara peatones y puentes para tuberías.

175

INTRODUCCIÓN

Torre

Anclaje

Cable portante

Péndola Viga de rigidez

Figura 1 Componentes principales de un puente colgante

3910

1990960 960

3,0 % Pendiente recta 3,0 % Pendiente recta1,5 % Curva parabólica

Figura 2 Puente Akashi Kaikyo

2. TIPOS

Los puentes colgantes pueden subdividir-se de acuerdo con varios criterios:

a. Suspensión de la jácena:

• Tanto el tramo principal como los tra-mos laterales están suspendidos: eltipo S, figura 3(a)

• Sólo el tramo principal está suspen-dido y los tramos extremos se susti-tuyen por tramos de acceso: el tipo F,figura 3(b).

En el tipo F, los vientos posterioresposeen una pendiente correspondien-te a

α = 30 - 45°. Esta pendiente deter-mina la posición del anclaje y con vien-tos posteriores rectos, la parte superior

de la torre está bien sustentadafrente a los desplazamientos hori-zontales. Comparado con el tipoS, con 2 rótulas (código: S2), eltipo F2 es más rígido.

b. Anclaje del cable principal:

• En la práctica actual, losprincipales puentes colgan-tes están anclados a tierra,con anclajes independien-tes que permiten que lasfuerzas del cable principalse transmitan al suelo.

c. Posición de las juntas dedilatación (figura 3c y (d))

La viga de rigidez puedetener sus juntas de dilataciónsituadas en las torres o en losmacizos de anclaje.

En correspondencia a estasdos condiciones, la viga derigidez estará formada o bienpor tres jácenas individualeso bien por una jácena conti-nua.

176

(a) Tanto el tramo central como los laterales están suspendidos (Tipo - S)

(b) Sólo el tramo principal está suspendido (Tipo - F)

(c) Juntas de dilatación en los macizos de anclaje

(d) Juntas de dilatación en las torres

Rótulas en la viga de rigidez

α

Cable portante

Viga de rigidez

Juntas de dilatación

Viga de rigidez con dos articulaciones

Figura 3 Clasificación de los puentes colgantes


3.1 Los cables principalesLos cables principales van de un anclaje

a otro.

Un cable se compone de cierto númerode cordones. Estos filamentos se pueden haceren la obra mediante trenzado de cables o tam-bién pueden ser prefabricados.

El número de cordones aumenta en pro-gresión aritmética simple. Así, el cable consta deun torón central rodeado de 6 cordones, 6 + 12cordones, 6 + 12 + 18 cordones, etc.

El cable de la figura 4 contiene 37 cordo-nes y éste es un número frecuente en puentesde cables trenzados. (Los números indican lasecuencia de rotación de cada uno de los cordo-nes). Así, en el puente Humber, los cables prin-cipales se componen de 37 cordones: cada unode ellos con 404 alambres.

En los puentes en los que los cables prin-cipales están hechos de torones de alambresparalelos, el número de cordones es general-mente mayor, ya que cada cordones debe conte-ner menos alambres por cuestiones de manejo.

Antes de iniciar el montaje de los cablesprincipales, se realiza una pasarela de servicio,

que va de un anclaje a otro a través de las par-tes superiores de las torres. En esta pasarela deservicio se instala un teleférico si se van a tren-zar los cables. El teleférico no se requiere nece-sariamente para el transporte de cordones pre-fabricados. Para proteger en cierta medida lapasarela de servicio frente al viento, se utiliza unsistema de pretensado de contraparábolas.

En la figura 5 se muestran los elementosfundamentales del proceso de trenzado decables. Se indican la pasarela de servicio y el

177


12 3

4 5 68 9 10

11 12 1314 15 16 17

18 19 2021 22 23 24

25 26 2728 29 30 31

32 33 3435 36

37

7

Filamento

Figura 4 Patrón de filamentos de cables, antes de la condensación

Hilo inactivo

Mecanismo tractor del bucle

Bobina

Hilo deslizante

Rueda de trenzado no. 1 Bucle

Rueda de trenzado no. 2

AnclajeCable

Pasarela de servicio

Figura 5 Trenzado de cables

teleférico. Dos carretes, conectados a unbucle, llevan los alambres separados de unlado al otro. En uno de los macizos de anclajese fija el extremo inactivo. En la otra parte, elalambre se saca del carrete y se enganchaalrededor de un anclaje de cordones (figura 6).A continuación, se fija el extremo activo.Cuando se termina un cordón, que consta de300 a 400 alambres, se coloca con cuidado ensu lugar correcto. Esta operación se realiza porla noche, cuando la temperatura está muy pró-xima a ser uniforme.

El diámetro óptimo de los alambres es de5,0-5,5 mm. Un diámetro mayor hace que el alam-bre sea demasiado rígido, mientras que un diáme-tro más pequeño requiere más alambres y másmano de obra. El material del alambre posee unaresistencia a la rotura de hasta1600 - 1800 N/mm2.

Con cables de tramos,cada turno de trabajo puedemontar alrededor de 160 alam-bres al día, y en la mayoría delos casos, se emplean dos tur-nos por día por cable. Los cor-dones prefabricados puedenmontarse en un período máscorto.

Después de habermontado todos los alambres,el mazo de cordones se com-prime en forma circular. Amodo de tratamiento protector,el cable se envuelve finalmen-te en un alambre de acerodulce. Durante este procesode envoltura se añade una pin-tura protectora.

Cuando los cables pa-san por encima de las partessuperiores de la torre y los apo-yos achaflanados, pierden suforma circular. Es necesariotomar medidas especiales enestas ubicaciones para mante-ner la corrosión bajo control.

3.2 Torres

La mejor forma de presentar los sorpren-dentes avances en el diseño de las torres esconsiderar algunos hitos significativos:

• El puente Golden Gate (figura 7)

• se utiliza acero de alta resistencia en lasceldas exteriores para soportar losmomentos flectores.

• una parte importante del material seconcentra en el centro.

• El puente del Estuario de Forth (figura 8)

• tres perfiles tubulares independientes,unidos durante el montaje.

• la distribución del material es muchomejor.

178

Ranura para los filamentos

Filamentos de anclaje B

A

B

A

2'0"

Placa de extremo

Barras roscadas de anclaje

Vista A - A

Culotes de filamentos mecanizados a partir de bloques

Vista B - BCulotes de filamento y placas de extremo

Filamentos de anclaje

Unión de montaje

61' 9" rad. re

specto a la superficie del anclaje

Filamentos

Filamentos

4'3" Punto de intersección del cable

Cable portante

Apoyo de inflexión

Marco estructural de acero para las placas de extremo

20" 20"

Figura 6 Detalles de anclaje del cable en el puente Severn

• El puente Severn (figura 9)

• todo el material está situado en el lugarcorrecto, en los bordes.

• las uniones se han diseñado para finali-zarse desde el interior.

• las dimensiones se reducen considera-blemente.

• Pont de Tancarville.

El hormigón es el material ideal para sopor-tar las cargas de compresión. Por consiguiente, esnatural utilizar torres de hormigón. El puente Pont

de Tancarville fue el primer puente colgante contorres de hormigón. En el puente Great Belt Eastse usan torres de hormigón de una altura de 250m. Sin embargo, en las zonas de actividad sísmicase prefieren las torres de acero, debido a su capa-cidad de disipación de energía.

Debe tenerse en cuenta que existenmuchos factores que influyen en la elección delmaterial de las torres, p. ej., las condiciones delsuelo, la rapidez del montaje, la estabilidad duran-te su construcción, etc. Por consiguiente, estaelección no se debe basar totalmente en un cál-culo estimativo de costes basado en la cantidad.

3.3 Viga de rigidez

La elección de la sec-ción transversal de la viga derigidez es un paso muy impor-tante, puesto que influye en elcomportamiento del sistemaestructural global.

Los avances en el dise-ño de la jácena han estadoestrechamente relacionadoscon el desarrollo de métodos decálculo, en particular con la teo-ría de la flecha de una viga, quees especialmente importantepara las jácenas más ligeras.

179


Acero de alta resistencia

7,50 m

13,90 m

Figura 7 Sección transversal de una torre: Puente Golden Gate

1525 1270

3,66 m

A B C

Figura 8 Sección transversal de una torre: Puente del Estuario de Forth

5185

Figura 9 Sección transversal de una torre: Puente Severn

Es necesario establecer una clara diferen-cia entre las frecuencias de flexión y de torsión.Desde 1960 esta diferencia se ha obtenido enmuchos casos haciendo que la jácena sea unaviga en cajón:

• una viga en cajón cerrada, p. ej., elpuente Severn.

• una viga en cajón abierta, p. ej., Pont deTancarville.

Un grave inconveniente de los puentes col-gantes es su flexibilidad relativamente grande.Durante mucho tiempo se admitió que las deforma-ciones de los puentes colgantes eran demasiadograndes para el tráfico de los ferrocarriles. Másrecientemente se ha abandonado completamenteesta opinión. En Japón se han construido puentescolgantes con tramos de más de 1000 m, con dosvías férreas (que posteriormente pueden incre-mentarse hasta cuatro) en el nivel del cordón infe-rior y cuatro carriles de calzada en la parte superior.

3.4 Anclajes

La fuerza del cable principal está formadapor dos componentes, el vertical, que trata delevantar el macizo de anclaje y el horizontal, queintenta arrastrar el macizo de anclaje hacia elcentro del puente.

El método de anclaje del cable principaldepende en gran parte de las condiciones loca-les del suelo.

Dos soluciones básicas son:

• En roca, véase la figura 10 (puente delEstuario de Forth).

El anclaje se une firmemente a la roca cir-cundante.

• En un entorno arcilloso (véase la figura11), (puente Lille Belt), y (Pont deTancarville).

El anclaje se basa casi completamente enla gravedad.

En los anclajes de gravedad, el equilibrioentre la fuerza del cable y la presión del suelodebe estudiarse minuciosamente durante elmontaje.

180

Cable portanteApoyo de inflexión

Filamentos

Figura 10 Puente del Estuario de ForthFigura 11 Anclaje de hormigón basado en la

gravedad: Puente Lillebelt

Durante el montaje, la componente verti-cal de la fuerza del cable aumenta, ejerciendouna fuerza ascensional vertical sobre el anclaje.

Con el fin de limitar las variaciones en lapresión del suelo, podría resultar ventajoso

incrementar la masa del anclaje al mismo ritmoque el montaje. Este procedimiento reduce losproblemas de asiento y podría hacer que laconstrucción, en particular el cimiento, fueramás barata.

181


4. EFECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO Y ANÁLISIS

4.1 Temperatura

Debido a la dilatación por la temperatura,un puente con una viga de rigidez continua estásujeto a un alargamiento en toda su longitud. Estadilatación tiene efectos perjudiciales en las péndo-las cortas situadas cerca de los anclajes, Fig. 12.

Mediante el siguiente cálculo se puededeterminar un valor superior para el cambio detensión axial en una péndola corta:

Longitud de la péndola H = 3000 mm

Módulo de Young de la péndola E = 1,7 x 105N/mm2

Longitud de la jácena L = 1200 m

Diferencia de temperatura ∆t = 15°C

Coeficiente de dilatación α = 11 × 106

Con estos valores, el desplazamiento, δ,en un lado se convierte en:

δ = 0,5 x α x ∆t x L = 0,5 x 15 x 1200000 x 11.106 == 144 mm

Suponiendo (para mayor seguridad) quela distancia vertical entre los extremos de la pén-dola permanece constante, se obtienen lossiguientes resultados:

Alargamiento

Tensión

En los modernos puentes de esbeltasvigas de rigidez, la hipótesis de una distanciavertical constante es poco realista y, por consi-guiente, el aumento de tensión es considerable-

mente más pequeño que el determinado ante-riormente.

4.2 Acciones aerodinámicas

La acción aerodinámica de la superes-tructura de cualquier tipo de puente de gran luz,pero especialmente de los puentes colgantes,puede provocar oscilaciones inaceptables.Pueden producirse cinco formas distintas deacción:

a. Acción turbulenta.

b. Oscilaciones de flexión alterna.

c. Oscilación clásica.

d. Oscilación de pérdida de sustentación.

e. Respuesta de ráfagas.

Además, puede producirse una inestabili-dad aerodinámica cuasiestática conocida comodivergencia.

Frente a estos efectos, el proyecto requie-re conocimientos especializados que no se pue-den examinar completamente en esta lección.No obstante, se describirán brevemente algunosde ellos para proporcionar ciertos conocimientossobre lo que se debe tener en cuenta.

a. Excitación vorticial

Cuando el viento pasa por delante deltablero del puente, se desprenden tur-bulencias (remolinos) alternativamentedesde la superficie superior e inferior,creando así una presión diferencialalterna y, por lo tanto, una fuerza sobreel puente. La frecuencia del derrama-miento vorticial (figura 13) es propor-cional a la velocidad del viento, y laresistencia y la regularidad dependendel perfil de la sección transversal. Sila frecuencia del derramamiento coin-cide con una frecuencia propia delpuente, existe el riesgo de que se pro-

( ),

, /σ = =3 453000

1 7 10 2075 2x x N mm

( ) ( ) , ,∆H mm y= + − =3000 144 3000 3 452 2

( ) ( ) , ,∆H mm y= + − =3000 144 3000 3 452 2

182

duzca una oscilación re-sonante.

Las secciones irregulares,tales como las vigas decelosías, raramente tienentendencia a la excitaciónvorticial. La excitación, in-cluso de las secciones re-gulares, muy pocas veceses lo bastante fuerte comopara provocar grandes am-plitudes. La amplitud es in-versamente proporcional al amor-tiguamiento estructural y, de estemodo, la adición de amortigua-miento siempre puede constituirun remedio.

b. Oscilación clásica

La oscilación clásica es otrofenómeno aerodinámico impor-tante, en el que las oscilaciones verti-cales y torsionales se asocian y elmomento de elevación en una seccióntransversal móvil refuerza el movimien-to. Es un fenómeno muy conocido delas superficies de control de vuelo delos aviones. Es susceptible de análisismatemático para estructuras lamelifor-mes (los cajones aerodinámicos deltipo de los del puente Severn son casilameliformes).

Probablemente se pueda afirmar quecualquier sección cuya frecuencia tor-sional sea mayor que su frecuencia deflexión oscilará con el tiempo. El objeti-vo importante es garantizar que esteefecto tenga lugar a una velocidad delviento sustancialmente más alta que laque se espera que ocurra en la ubica-ción real. Cuanto más lejos se produz-can las frecuencias torsional y de fle-xión, más alta será la velocidad delviento que provoca la oscilación. Losperfiles tubulares de los puentes col-gantes son muy buenos en este senti-do, puesto que las frecuencias se

separan mediante un coeficiente deaproximadamente 3.

Sin embargo, la situación empeora contramos más largos. El puente GreatBelt East se aproxima al tramo máximopara el que la simple sección transver-sal de cajón aerodinámico permanece-rá a salvo de la oscilación clásica.Además, en zonas de tormentas tropi-cales con velocidades del viento muyaltas, se requieren medidas especia-les. Al igual que las oscilaciones de fle-xión alterna, la oscilación clásica esdestructiva y no especialmente sensi-ble al amortiguamiento añadido.

Normalmente, son los modos funda-mentales los que se asocian. No obs-tante, en el primer puente TacomaNarrows, existía un acoplamiento delos modos más altos en una oscilaciónsimilar a una vibración. Algunas veces,pueden suprimirse los modos asimétri-cos utilizando un tirante central entre elcable y el tablero en el centro del vano.Este tirante detiene el movimiento lon-

183

EFECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO…

Cable portante

Apoyo de inflexión

Anclaje

Soporte

Desplazamiento debido a la temperatura

Tramo extremo de la viga de rigidez

δ

Figura 12 Influencia de la dilatación térmica en las péndolas

Cable

Turbulencia

Figura 13 Acción turbulenta

gitudinal del cable asociado a dichosmodos. Sin embargo, en el tirante seproducen fuerzas muy grandes, por loque se debe tener un cuidado especialal diseñar las uniones.

Los puentes colgantes del tipo viga decelosía no están necesariamente asalvo de la oscilación clásica, ya que eltablero de la calzada es como unachapa. Pueden mejorarse dejandoranuras abiertas entre las calzadaspara permitir que pase el aire o colo-cando emparrillados permeables den-tro de las propias calzadas.

c. Precauciones estructurales

• Para el perfil tubular cerrado sesimula un perfil aerodinámico tanparecido como sea posible, lo queofrece la ventaja adicional de reducirel coeficiente aerodinámico. El pro-blema ahora se elimina en lo querespecta al puente. Sin embargo, el

tráfico del puente puede estar some-tido a vientos laterales más fuertes.

• En una viga en cajón de celosíaabierta, algunas precauciones tienencomo objetivo una perturbación delas turbulencias:

• el tablero se construye de forma queel viento pase a través de aberturas.

• una parte del tablero se construyecon emparrillados (figura 14).

Un método muy eficaz es una unión com-pacta entre el cable y la viga principal en el cen-tro del vano (figura 15).

Debido al modo de vibración torsional,existe un considerable desplazamiento horizon-tal del cable principal. Este desplazamiento y, porconsiguiente el modo torsional, se impide demanera eficaz mediante fijación (figura 16).

4.3 Análisis

El puente colgante posee poca rigidezpropia. De hecho, las flechas ejercen unainfluencia que se debe tener en cuenta en elanálisis. El problema consiste en determinar quémomentos flectores se producen, teniendo encuenta las deformaciones.

Ritter resolvió este problema en 1877 yMelan lo confirmó en 1888 con la teoría de la fle-cha de viga. Esta teoría fue aplicada por primeravez por Moisseiff en 1908, en el diseño del puen-te colgante de Manhattan. Desde aquella épocase ha convertido en el método clásico de análisisde puentes colgantes, después de algunas inno-vaciones por parte de Steinman, Timoshenko, etc.

Las principales hipótesis de esta teoría eran:

1. El cable, el centro de esfuerzos cortan-tes de la viga de rigidez, y todas lascargas están situadas en un únicoplano vertical.

2. (a) Las péndolas son verticales, inex-tensibles y lo bastante largas como

184

Figura 14 Una vista desde debajo,donde se muestra latransparencia del puentecolgante de Lisboa

para que se ignore cualquier des-viación de la verticalidad.

(b) Su separación es infinitamentepequeña, es decir, forman unalámina continua entre el cable y lajácena.

3. Las deformaciones por esfuerzos cor-tantes de la viga de rigidez son insigni-ficantes.

4. Las flechas de carga no permanenteson lo suficientemente pequeñas comopara que se pueda considerar quetodas las fuerzas aplicadas por laspéndolas al cable actúan a lo largo de

líneas fijadas por la geo-metría de las cargas per-manentes.

5. La carga permanente sereparte uniformemente alo largo de la jácena.

6. El momento de inercia dela viga de rigidez esconstante.

7. La carga permanente essoportada únicamentepor el cable y produce unmomento flector cero enla viga de rigidez.

Utilizando estas hipótesis, se podría obte-ner la ecuación diferencial para flechas de car-gas no permanentes en los estados deformadosy se podría resolver todo el problema. En el aná-lisis también se tuvieron que introducir términosdinámicos para calcular las frecuencias.

Actualmente, los cálculos se basan enprogramas de elementos finitos que puedenincluir grandes deformaciones y los efectos nolineales asociados. Con estos programas, sepuede omitir la mayoría de las hipótesis clásicasenumeradas anteriormente.

185

EFECTOS ESPECIALES DE COMPORTAMIENTO…

Anclaje central del

cable portante

Figura 15 Una técnica de control de la oscilación

Cable portante

Anclaje

Desplazamiento del cable portante respecto a la viga de rigidez

Carga distribuida uniformemente

uv

v

Figura 16 Deformación de la viga de rigidez y desplazamiento del cable portantedebido a una carga distribuida uniformemente en la mitad del tramo

5. UNIONES

5.1 Péndolas y flejes de cables

Las péndolas, provistas de mecanismode unión, conectan el cable principal y la jáce-na.

La péndola está conectada al cableprincipal a través de un fleje de cable, queconsta de dos mitades semicilíndricas, unidasmediante tornillos de acero de alta resisten-cia, con el fin de desarrollar la fricción nece-saria. La péndola está conectada a este flejede cable por medio de una unión articulada ose puede enganchar a su alrededor.

Los flejes de cables están apretados fir-memente contra el cable principal y obtienen suresistencia sustentadora de carga principalmen-te del rozamiento y de la compresión del cable(figura 17). Los flejes de cables se elaboran cui-dadosamente, teniendo en cuenta una oquedadde aproximadamente el 20% en el cable.

El cable principal está sujeto a una cargaaxial que aumenta durante el montaje del puen-te. Debe tenerse en cuenta el alargamiento delcable desde el macizo de anclaje hasta la torre,p. ej., dando a las torres un desplazamiento hori-zontal (figura 18).

En cuanto a los flejes de cables, la con-tracción transversal de la sección del cable essumamente importante. Hace que se reduzca el

rozamiento entre el fleje de cable y el cable y,como consecuencia de esto, la resistencia sus-tentadora de carga disminuye. Se deberían tomarprecauciones para medir la relajación y apretar lostornillos durante el montaje, p. ej., haciendo unacontrapresión (figura 19). Por razones de mante-nimiento, la abertura que queda se rellena de cau-cho. En vista de la contracción, la envoltura delcable debe realizarse después de que el puentesoporte casi toda su carga máxima permanente.

Las péndolas verticales son habituales.Durante un período de unos 15 años, se genera-lizó el uso de las péndolas inclinadas (figura 20).La utilización de péndolas inclinadas se inició en

186

Fleje del cableCable principal

Péndola

Figura 17 Fleje del cable conectado al cable principal

Retrocesou

Torre

Cable

CableAnclaje

Cabrestante

A

A

B

Figura 18 Retroceso de las torres para pretensar las partesadecuadas del cable principal

Cable

uu

Contrapresión

Fleje del cable

Figura 19 Desplazamientos por contrapresión en los acoplamientos

el puente Severn (1966) y concluyó con el puen-te Humber (1981).

La idea era hacer más rígido el puente (≈25%), debido al comportamiento de las vigas

de celosías y reducir latendencia a la oscilación(vibración). El objetivoera aumentar el amorti-guamiento, por mediodel uso de la histéresisde los alambres helicoi-dales que forman las

péndolas. No obstante, las fuerzas en constan-te cambio que existen en las péndolas puedencrear problemas de fatiga y éste es uno de losmotivos por los que los proyectistas volvieron ausar solamente las péndolas verticales.

187

UNIONES

Figura 20 Disposición de las péndolas en el puente Severn

6. CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE CONSTRUCCIÓNEl cable principal puede soportar en su

totalidad la carga permanente de la jácena y delos sistemas de cables, siempre que ese cableprincipal posea una configuración que coincidacon la curva funicular de la carga aplicada.

Esta transmisión favorable de la cargapermanente se logra durante el montaje delpuente. Se montan, por orden, el anclaje, lastorres, los cables, los flejes de cables y las pén-dolas.

A continuación viene el montaje de lajácena, que generalmente se realiza:

• elevando las secciones desde una bar-caza con una grúa sobre los cables

principales, comenzando por el centrodel vano.

• conectando las secciones a las péndo-las y unas a otras con uniones tempora-les.

Puesto que las secciones de la jácena secomportan como cargas concentradas, la flechadel cable principal es grande y las seccionesmuestran aberturas en la parte inferior (figura21).

A medida que prosigue el montaje, estasaberturas se cierran y, finalmente, aparecen lasaberturas de la parte superior de la jácena. Estose debe al hecho de que la jácena es más ligeradurante el montaje que en su condición de utili-zabilidad, p. ej., falta la superficie sujeta a des-gaste.

Después de haber montado un poco másde la mitad de todas las seccio-nes, generalmente se hacen lasconexiones finales.

En la etapa del montajepueden producirse también osci-laciones aerodinámicas. Por lotanto, las etapas temporales delmontaje también deben probarseen un túnel aerodinámico. Enalgunos casos se han requeridodispositivos especiales para hacerfrente a estos problemas, p. ej., enla jácena del puente Humber.

188

F + ∆ F

a

Figura 21 Distorsión del cable durante el montaje y su influencia sobre lasjuntas de la viga de rigidez

7. RESUMEN FINAL• Los tipos de puentes colgantes se pueden

describir de acuerdo con la suspensión dela jácena, el anclaje del cable principal y elnúmero de rótulas de la jácena. Las partesprincipales de los puentes colgantes son losanclajes, los cables principales, las péndo-las y los flejes de cables, las torres y lasvigas de rigidez.

• Los puentes colgantes experimentan lainfluencia de la temperatura y pueden estarsujetos a acción aerodinámica. Su análisisestructural normalmente se lleva a cabosobre la base de la teoría de la flecha.

• Se elige un procedimiento de montaje queno permita que la carga permanente intro-duzca importantes momentos flectores enla jácena.


1. Fu-Knei Chang and Cohen, E., “Long-SpanBridges: State of the art”, J of Str. Div., ASCE,Vol. 107, No ST7, July 1981, pp 1145-1160.

2. Gimsing, N. J., “Cable Supported Bridges,Concept and Design”, John Wiley & Sons, 1983.

3. O'Connor, C., Design of Bridge Super-structures, John Wiley & Sons, New York, 1971.

4. Leonhardt, F., “Brucken/Bridges”, TheArchitectural Press: London, 1982.

5. Ramon, E., Gilsanz, and Biggs, J. M., “Cable-Stayed Bridges: Degrees of Anchoring”, J. ofStruct. Engineering, ASCE, Vol. 109, No 1,January 1983, pp 200-220.

6. Steinman, D. B. ,“A Practical Treatise inSuspension Bridges”, John Wiley & Sons, NewYork, 1945.

7. Institution of Civil Engineers, “Forth RoadBridge”, 1967.

8. Institution of Civil Engineers, “Severn Bridge”,1970.

9. Pugsley, A., “The Theory of SuspensionBridges”, Edward Arnold Limited, London 1968.

189

RESUMEN FINAL


Lección 18.10: Equipamiento del Puente (Apoyos, Pretiles, etc.)

191

193

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVO/CONTENIDO

• Describir los diversos elementos delequipamiento de un puente y explicarsu función en la estructura del puen-te.

• Atraer la atención del proyectista haciala importancia de elegir el equipamientoen función de la vida y el mantenimien-to del puente.

LECCIONES AFINES

Lección 5.4: Protección contra la Corrosiónde Puentes


RESUMEN

Además de las estructuras sustentadorasde carga que forman el tablero del puente, lospuentes también incluyen diversos elementos de

equipamiento que son esenciales para su man-tenimiento, función y ciclo vital.

• sistemas de apoyos

• acabados

• juntas de dilatación

• pretiles

• protección frente a la corrosión

• drenaje

• imposta

• instalaciones de inspección.

La elección de estos elementos e instala-ciones depende no sólo de su coste inicial, quepuede llegar al 10% del coste total de la cons-trucción, sino también del coste de explotaciónrelacionado con su mantenimiento rutinario yposible sustitución.

Los elementos contribuyen a la vida útilde la estructura y, como consecuencia de ello, nodeberían ser el origen de problemas que puedanafectar a la resistencia del puente.

1. SISTEMAS DE APOYOS

Los sistemas de apoyos proporcionan lasujeción mecánica entre los principales elemen-tos sustentadores de carga (vigas principales,arcos) y los apoyos del puente (pilas, estribos,macizos de cimentación, etc.). Por consiguiente,contribuyen al funcionamiento del puente en suconjunto.

1.1 Función

La función de un sistema de apoyos estransmitir a los apoyos:

• las acciones verticales y horizontales;

Al hacer eso, los apoyos deben dar cabi-da a:

• los desplazamientos de rotación y detraslación de la estructura provocadospor las cargas permanentes y útiles, lasacciones de los terremotos, los efectostérmicos, el viento y el asiento de losapoyos.

El proyectista debe elegir los tipos deapoyo en cada sistema de apoyos para adaptarlos efectos de las acciones y los grados de liber-tad requeridos en cada unión entre los elemen-tos principales y los apoyos.

En general, las fuerzas y los desplazamien-tos en un apoyo son los que aparecen en la figura1. Por convenio se define el eje de la X como "lon-gitudinal" y el eje de la Y como "transversal".

1.2 Plan de conjunto

Por regla general, un sistema de apoyoincluye tres tipos de apoyos:

• fijo - que soporta las fuerzas horizontalesen la dirección tanto de X como de Y.

• unidireccional - que proporciona arriostra-miento en la dirección de X o en la de Y.

• multidireccional - que no proporciona nin-gún arriostramiento ni en la dirección deX ni en la de Y.

El número y plan de conjunto de los trestipos de apoyos es una característica clave delsistema de apoyo en un puente.

En la mayoría de los casos, el sistema deapoyo será indeterminado. Para un tramo único,la disposición podría ser como la que se muestraen la figura 2a. Obsérvese que sólo se requiereun apoyo fijo y uno unidireccional. Todos losdemás deben ser multidireccionales (o "libres")para que el sistema sea determinado.

Para un puente más largo, por ejemplo, unviaducto curvo, quizás sea necesario pro-porcionar arriostramiento lateral en cadaapoyo intermedio, así como en los extre-mos. Entonces son posibles dos disposi-ciones alternativas. En la primera, figura2b, los apoyos unidireccionales se dispo-nen radialmente a partir del apoyo fijo; enla segunda, figura 2c, se disponen tan-gencialmente. Estos dos sistemas sonindeterminados y deben tenerse en cuen-ta en el análisis global de la estructura.

1.3 Tipos de apoyos

Existen cuatro grupos caracterís-ticos de apoyos, cuyas diferencias se

194

Figura 1 Fuerzas y desplazamientos en los apoyos

derivan de los materiales estructurales emplea-dos y de su comportamiento estructural.

1.3.1 Apoyos de acero

Estos apoyos funcionan mediante el con-tacto directo entre los elementos de acero.Originariamente realizados en acero colado, losapoyos de acero ahora se fabrican en chapa ybarras de acero de construcción.

Apoyos lineales

Los apoyos lineales proporcionanapoyo mediante el contacto entre unasuperficie plana y una cilíndrica. El con-tacto lineal permite la rotación sobre uneje, generalmente el eje transversal, Wy.

El arriostrado frente a las peque-ñas fuerzas horizontales se suministramediante una chaveta de cizallamiento, amenudo en forma de espiga.

Los apoyos de rótula constan de unapoyo inferior (generalmente colocado enel hormigón) y una chapa superior sujetaa la viga principal. Las fuerzas horizonta-les se transmiten mediante una chavetade cizallamiento (figuras 3 y 4).

Los apoyos de rodillos comprendenuno o varios cilindros (o rodillos) de aceromacizo, colocados entre dos chapas derodadura paralelas, de forma que el despla-zamiento relativo en la dirección de X sehace posible por la acción de rodamiento.Se utilizan pequeñas chavetas de cizalla-miento lineal para resistir las fuerzas Hy(figura 5). Para garantizar que el eje delrodillo no se desvía durante el servicio,generalmente se proporcionan guías denta-das en los extremos de los rodillos.

El radio mínimo R de la superficiecilíndrica viene determinado por la pre-sión de contacto entre el cilindro y lasuperficie plana.

La tensión elástica entre unasuperficie cilíndrica y una plana viene determina-da por la fórmula de Hertz:

donde:

V es la reacción

b es la longitud de la línea de contacto

σc VE bR= 0 418, /

195

SISTEMAS DE APOYOS

Figura 2 Esquema general de los sistemas de apoyo

E es el módulo de elasticidad

R es el radio

Aunque esta fórmula se puede aplicar auna condición elástica, se ha descubierto que es

satisfactoria para permitir que la ten-sión de Hertz se limite a valores supe-riores al rendimiento no axial.Generalmente, la limitación para losrodillos cilíndricos es:

σc ≤ 1,7 σu

donde:

σu es la resistencia a la rotura portracción del acero.

Cuando se requiere un rodillomás grande, pero el movimiento lon-gitudinal es pequeño, se puede usarun rodillo de lados laterales planos(figura 6).

Apoyos puntuales

Algunas veces, se requierenapoyos que ofrezcan libertad de rota-ción multidireccional. En dichoscasos, es necesario recurrir a unarótula esférica generada por un

apoyo puntual

apoyo de punto de contacto plano/esférico(figura 7)

La presión de contacto entre una esfe-ra y un plano se determina mediante la fór-mula de Hertz:

Generalmente, la limitación en la ten-sión es:

σc ≤ 2,1 σu

apoyo de punto esférico doble (figura 8)

Para un contacto esférico doble, la pre-sión se determina mediante:

σc VE R R= −0 388 1 121 2

23, [ / / ]

σc VE R= 0 388 2 23, /

196

Figura 3 Sección de un apoyo pendular lineal

Figura 4 Sección a través de un apoyo pendular lineal

(R2 > R1)

Apoyos puntuales deslizantes

Además de un contacto deapoyo esférico, estos apoyos inclu-yen un plano deslizante (unidirec-cional o multidireccional). El desli-zamiento tiene lugar entre unapieza de inserción de acero inoxida-ble y una chapa de PTFE (politetra-fluoretileno) (figura 9).

1.3.2 Apoyos elastoméricos

Estos apoyos son esencialmen-te bloques rectangulares anisótropos,que pueden resistir:

• deformaciones verticales;

• distorsiones horizontales;

• rotaciones.

197

SISTEMAS DE APOYOS

Figura 6 Apoyo de rodillo de ladosplanos

Figura 5 Apoyo de rodillo

Figura 7 Apoyo puntual sobre rótulaesférica

Figura 8 Apoyo puntual de esferadoble

Figura 9 Apoyo puntual deslizante

Cada apoyo consta de varias capas elas-toméricas de diversos espesores, de 8 a 20 mm,pegadas a chapas de acero de espesor com-prendido entre 2 y 5 mm (figura 10).

Apoyos libres semiempotrados

Este tipo de apoyo ofrece resistencia a lasfuerzas horizontales y los desplazamientos, altiempo que soporta las cargas verticales. Parahacer esto, el apoyo debe estar firmemente suje-to a la estructura del puente y a los apoyos.

En el sistemade apoyo, las fuerzashorizontales se distri-buyen en proporcióna las rigideces com-binadas de los apo-yos y de las pilas ycimientos (figura 11).

Este tipo deapoyo es apropiadosiempre que la alturadel bloque en relacióncon el desplazamien-to horizontal sea bas-

tante reducida. Más allá de ciertaaltura, el bloque se hace inestable.

Apoyos deslizantes elastoméri-cos

Cuando los desplazamientoshorizontales son grandes, puedenutilizarse apoyos elastoméricos conuna superficie deslizante.

Esto se consigue proporcio-nando una chapa de acero inoxida-ble que se deslice sobre la carasuperior de una chapa de PTFE(politetrafluoretileno) pegada al blo-que de elastómero reforzado (figu-ras 12 y 13).

1.3.3 Apoyos de caja

Los apoyos de caja constande un elastómero plano encerrado en una cajacilíndrica de metal. La cara superior de la caja esuna corona de pistón libremente instalada en lacaja y el apoyo en el elastómero (figura 14).

El elastómero encerrado en la caja sedeforma bajo un volumen constante y se com-porta como un fluido. Soporta tanto altas presio-nes (25 MPa) como rotaciones (1/100 radianes)debido a las tensiones tangenciales cero. Estetipo de apoyo ofrece realmente libertad de rota-ción multidireccional.

198

Figura 10 Sistema de apoyo elastomérico reforzado

Figura 11 Ubicación y acción de los apoyos

Los apoyos de cajason menos voluminososque los apoyos elastoméri-cos normales y ofrecen unrendimiento superior. Seutilizan mucho.

La libertad horizon-tal se obtiene mediante laadición de un plano desli-zante (acero inoxidable-PTFE) en la corona del pis-tón (figura 15).

Se puede obtener unapoyo unidireccional desli-zante mediante la adición deuna guía exterior o interior.

1.3.4 Apoyos de rótula(esféricos)

Este tipo de apoyo esuna construcción totalmentede acero, en cierto modoparecida al apoyo de caja,pero en la que se ha susti-tuido el elastómero por unatapa esférica convexa quese desliza sobre un elemen-to esférico cóncavo (figura16).

Como antes, la intro-ducción de un plano desli-zante ofrece una menor

libertad de desplazamiento multidirec-cional.

1.4 Condiciones de instalación de lossistemas de apoyoLa estabilidad a lo largo del

tiempo de un sistema de apoyodepende en gran parte de una esme-rada instalación:

199

SISTEMAS DE APOYOS

Figura 12 Apoyos deslizantes de los elastómeros reforzados

Figura 13 Esquema de un apoyo deslizante elastomérico

Figura 14 Apoyo de caja fija

• nivelación precisa en cadalínea de apoyo;

• asiento apropiado de losapoyos en las estructurasde apoyo;

• hay que tener en cuenta elestado de contraflecharesidual de las vigas prin-cipales en la etapa de ins-talación;

• alineación de los apoyosdireccionales;

• ajuste de la posiciónmedia de los apoyos desli-zantes de acuerdo con latemperatura en el momen-to de la instalación;

• protección de las superfi-cies deslizantes.

200

Figura 15 Apoyo de caja multidireccional

Figura 16 Apoyo con separación esférica

2. ACABADOS

Conjuntamente con la losa del tablero, losacabados constan de:

• la capa de impermeabilización;

• la capa de desgaste.

2.1 Capa de impermeabilización

2.1.1 En una losa de hormigónLa capa de impermeabilización debe pro-

teger la losa frente a cualquier tipo de penetra-ción de agua, que pueda contener agentes máso menos corrosivos, principalmente procedentesde la sal empleada para deshelar la calzada(figura 17). Estos agentes de diverso origen pue-den ser dañinos para el hormigón de la losa,pero incluso más perjudiciales para las barras dela armadura de acero, provocando corrosión.

Una buena capa de impermeabilizaciónpuede así contribuir a la vida de la estructura.

Se pueden utilizar varias técnicas:

• Una capa gruesa formada por masilla deasfalto de 4 - 8 mm de espesor, unida ala losa mediante una capa adherente yasfalto arenoso de 22 - 26 mm.

• Una capa fina, de 2 - 3 mm de grosor,formada por un sistema de dos compo-nentes de azabache y resina epoxi.

• Una lámina prefabricada hecha de unasfalto modificado por un polímero yarmadura. La lámina se adhiere median-te fusión parcial del aglomerante en unyeso impregnado en frío.

2.1.2 En una losa ortotrópicaDespués del desescamado de la chapa

de acero y la aplicación inmediata de un barnizaglutinante, se añade la impermeabilizacióncomo una capa de asfalto elastomérico deaproximadamente 3 - 5 mm de espesor (figura18).

La capa de impermeabilización continúabajo la acera y cubre todas las partes situadashacia arriba (apoyo de la valla de seguridad, bor-dillos) y hacia abajo (canales de desagüe).

2.2 Capa de desgaste

El espesor de la capa de des-gaste oscila entre 6 y 10 cm.Obtener un rendimiento satisfactoriode la capa de desgaste requiereuna buena preparación de, y unaunión a, la capa anterior, con uncumplimiento estricto de las condi-

ciones higrométricas prescri-tas. Cuando la losa es flexible,es necesario garantizar que lacapa de desgaste tiene sufi-ciente resistencia a la fatiga yse coloca según el espesorespecificado.

La uniformidad de lasuperficie, así como la conti-nuidad del perfil proporcionanuna superficie uniforme para

201

ACABADOS

Figura 17 Acabado de la losa de hormigón

Figura 18 Acabado de una losa ortotrópica

los vehículos, reducen las vibraciones mecáni-cas del tráfico y evitan la formación de rodadasy el deterioro superficial debido a la heladainvernal.

2.2.1 En una losa de hormigón

La capa de desgaste generalmente estáformada por hormigón bituminoso.

2.2.2 En una losa ortótropa

Los sistemas frecuentes hacen uso decomposiciones específicas y procedimientos deextensión que tienen en cuenta la flexibilidad y elcomportamiento de fatiga de la losa. Los siste-mas utilizados son un material especial, que estáhecho de un hormigón bituminoso con una pro-porción de aglomerante, que confiere una plasti-cidad satisfactoria a la capa.

202

3. JUNTAS DE DILATACIÓN

Las juntas de dilatación proporcionan lacontinuidad de la superficie de la carretera en lasuperficie de contacto entre el tablero del puentey los estribos.

3.1 Características de las juntasde dilatación:

3.1.1 Campo de movimiento

Una junta de dilatación debe ser capaz desatisfacer un campo de movimiento, apertura ycierre, desde su posición "neutra", o colocacióncrítica.

El campo de movimiento, es decir, losdesplazamientos máximos en posiciones abier-tas y cerradas de la junta, dependen de variosfactores:

(i) dilatación y contracción térmicas linea-les del tablero del puente:

∆l1 = L.λ.∆T

donde:

L es la distancia desde un apoyo fijo

λ = 1,1 . 10-5 por °C para el acero

∆T es la diferencia entre la temperaturaextrema y neutra o de colocación del puente.

(ii) desplazamientos horizontales que sederivan de rotaciones sobre un ejetransversal bajo cargas útiles. Encualquier apoyo:

∆l1 = θ . h

donde:

θ es la rotación

h es la distancia desde la línea neutra.

Obsérvese que deben tenerse en cuentalos desplazamientos debidos a la rotación tantoen el apoyo fijo como en la junta de dilatación.

(iii) deformación a largo plazo de la losade hormigón (retracción y fluencia)

(iv) desplazamientos horizontales debi-dos a los esfuerzos de frenado y a laflexibilidad del apoyo “fijo”.

El campo total requerido determinará quétipos de juntas son apropiados. Las juntas debencolocarse con cuidado, teniendo en cuenta latemperatura del puente en el momento de lacolocación y los movimientos de apertura y cie-rre (que generalmente no son iguales) desde lasposiciones neutras.

3.1.2 Características del diseño

Es necesario que los proyectistas tenganen cuenta los puntos siguientes:

• La resistencia de la junta y de los pun-tos de anclaje de la estructura a lacarga de fatiga debido al tráfico.

• Impermeabilización de la sujeción entrela junta y la capa de impermeabilización.

• Facilidad de mantenimiento y sustitu-ción.

• Silencio y comodidad (La mejor junta esla que no se nota).

3.2 Tipos de juntas de dilataciónExisten diversas soluciones técnicas para

las juntas de dilatación. Las diferencias entre lostipos están relacionadas con la cantidad demovimiento o desplazamiento entre las posicio-nes abiertas o cerradas en la abertura.

3.2.1 Juntas con revestimientocontinuo (Junta de obturadorasfáltico)

Este tipo ofrece una superficie de rodajemuy cómoda, pero la capacidad de movimiento

203

JUNTAS DE DILATACIÓN

se restringe a 30 mm. Sólo se puedesoportar el tráfico ligero o semidenso(figura 19).

3.2.2 Juntas dentadas

Dos chapas gruesas y ancladas fir-memente se deslizan una en otra. Pre-sentan la forma de dientes rectos o sesga-dos que permiten movimientos de 25 a 350mm (figura 20). Las juntas más grandesrequieren apoyo intermedio de los dientes.

3.2.3 Juntas elastoméricas

Un perfil elastomérico con piezasde inserción de chapa de acero se sujetaen dos chapas de acero y se ancla en la

losa. Son posibles los movimien-tos de hasta 300 mm (figura 21).

3.2.4 Juntas de postigode rodillo

Esta junta está formada poruna serie de postigos articulados,unos al lado de otros. Cada posti-go consta de una sucesión dechapas unidas que se deslizansobre una guía. Son posiblesgrandes deformaciones de 1 m omás (figura 22).

3.2.5 Juntas de aceromúltiples o juntasde fuelle

Estas juntas se componen deuna serie de vigas de acero transver-sales unidas con cierres de bandaflexibles (figura 23). Cada viga deacero se apoya en jácenas o juntaspor debajo de las vigas. El movimien-to se acomoda en forma de "acorde-ón" a medida que cada uno de los

204

Losa de tablero

Movimiento: 10 mm min.

: 30 mm máx.

(a) Junta oculta

Superficie

Figura 19a Tipos de junta de dilatación con revestimiento continuo

Superficie Material flexible Capa de protección

Impermeabilizante del tablero Chapa

Figura 19b Junta de obturador asfáltico

Figura 20 Junta dentada

cierres se dobla. El número de vigas puedeaumentarse de manera modular, de forma que

se puedan acomodar movimientos de hasta800 mm.

205

JUNTAS DE DILATACIÓN

Figura 21 Junta de dilatación elastomérica

Figura 22 Junta de postigo de rodillo Figura 23 Juntas de fuelle

4. PRETILES

Son necesarios preti-les para proteger tanto a losusuarios como las calzadasy vías férreas. Existen variostipos:

• pretiles para pea-tones;

• barreras de cho-que para vehícu-los ligeros;

• barreras de tráficorodado para camio-nes pesados.

Este equipamiento,que es necesario para satisfacer los requisitosgenerales de seguridad, tiene que cumplir nor-mas detalladas. Su aprobación por parte de lasinstituciones oficiales de inspección generalmen-te se basa en pruebas a tamaño natural.

4.1 Pretiles para peatones

Los pretiles para peatones tienen comomisión la seguridad de las perso-nas. Sus formas varían de acuerdocon su uso y requisitos de aspecto.

Ya estén fabricados en alea-ción de acero o aluminio, todos lospretiles para peatones deben cum-plir los mismos requisitos de resis-tencia y seguridad (figura 24).

4.2 Barreras de choque

Para que sean eficaces, tantolos carriles deslizantes como lasbarreras deben:

• absorber el impacto de unchoque;

• permitir que los vehículosse deslicen sobre ellos;

• retener y modificar la dirección delvehículo.

Las barreras de choque generalmente seatornillan a la estructura a través de un anclajeincorporado en la losa del tablero. La sujeción seha diseñado para garantizar que no se daña laestructura en caso de un accidente, de formaque sea posible una reparación rápida y sencilla(figura 25).

206

Figura 24 Pretil para peatones

φ

Figura 25 Barreras de choque

4.3 Barreras de seguridad

Dependiendo de su objetivo y de losmateriales estructurales de los que se constru-yen, las barreras de seguridad pueden ser dediversos tipos:

• una barrera rígida de hormigónarmado (figura 26);

• una barrera muy flexible formada poruna cadena de bloques de hormigónpretensado;

• una barrera de acero flexible (figura27).

207

PRETILES

Figura 26 Ejemplos de vallas de seguridad rígidas

Figura 27 Típica valla de protecciónflexible

5. PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN

Dependiendo de las condiciones atmosfé-ricas ambientales, el acero se corroe de formanatural y continua y la corrosión resultante afec-ta a su vida útil.

Como consecuencia de esto, es absoluta-mente necesaria la protección del acero frente auna posible corrosión electroquímica.

Debido a la importancia de este problema,el grupo de lecciones 5 se dedica a la protecciónfrente a la corrosión.

208

6. DRENAJE DEL AGUA DE LLUVIALa durabilidad del puente,

así como la seguridad de los usua-rios también dependen de un buendrenaje del tablero (figura 28).

El drenaje se realiza pormedio de:

• un perfil transversal tantode la calzada como de laacera, con una pendientedel 2 - 2,5%, que conduceel agua de lluvia hacia eldesagüe y a lo largo delbordillo de la acera;

• un perfil longitudinal quefacilita el drenaje aguasabajo;

• sumideros de agua y colec-tores de agua bajo loscanales de desagüe, cuyaubicación y dimensiones sedeterminan en función de lapendiente y del volumen deagua que se va a drenar;

• tubos de bajada de aguas,que pueden estar conecta-dos a colectores y a alcan-tarillas de descarga en ciu-dades o zonas protegidasde la contaminación.

209

DRENAJE DEL AGUA DE LLUVIA

Figura 28 Drenaje del agua de lluvia

7. IMPOSTAS

Las impostas se construyenen el borde del tablero y realizanvarias funciones (figura 29):

• papel funcional - las impos-tas incluyen un vierteaguasde piedra, que impide queel agua caiga sobre ellasdespués de fluir hacia lacara inferior de la losa y, acontinuación, hacia lasjácenas;

• papel estético - las impos-tas señalan la línea decoronación del puente. Alasociarlas con los pretiles,el arquitecto puede diseñarlas formas, calidades delos materiales y aspectosde los revestimientos, conel fin de mejorar la impre-sión que produce la estruc-tura en el entorno.

La tendencia actual es quelas impostas tengan una funciónfundamentalmente decorativa. Porlo tanto, las impostas se considerancomo un elemento de revestimientoligero y estético.

210

Figura 29 Impostas

8. INSTALACIONES DE INSPECCIÓN

Las instalaciones de inspección que danacceso a todas las partes de las estructuras delos puentes son necesarias debido a la necesi-dad de visitas periódicas a las estructuras, confines de inspección y mantenimiento.

Existen tres tipos de instalaciones de ins-pección:

8.1 Instalaciones fijas

Las instalaciones fijas son plataformas deservicio situadas en el emparrillado de las vigasde la estructura del puente (figura 30).

8.2 Instalaciones móviles

Un pórtico de plataforma accionado pormotor se desplaza a lo largo de pistas fijas entoda la longitud del puente. Los elementosretráctiles y flexibles permiten el acceso tanto alexterior como a la cara inferior de los voladizos(figura 31). Se proporcionan espacios libres con el

diseño, de forma que se pueda llegar al tablerodel puente y se pueda irmás allá de las pilas.

8.3 Equipo especialEstán disponibles

elementos de equipoespecial, tales como bra-zos telescópicos monta-dos sobre camiones quese aparcan en la calzada.Este equipo móvil es eco-nómico si se puede usaren un gran número deestructuras (figura 32).

211

INSTALACIONES DE INSPECCIÓN

Figura 30 Plataformas fijas de inspección

Figura 31 Pórtico móvil de inspección

(a) (b)

Figura 32 Equipo móvil especial de inspección

9. INTEGRACIÓN DEL EQUIPAMIENTO EN EL DISEÑO GENERAL

El diseño global de la estructura de unpuente se determina, en primer lugar, por las con-diciones geométricas y geotécnicas de la ubica-ción de la obra, la naturaleza de la ruta, los espa-cios libres y las condiciones de construcción.

El diseño global debe integrar los diversoselementos del equipamiento. Pueden generar ten-siones y restricciones de la manera siguiente:

Consideraciones geométricas

Ocupan espacio y requieren que se incor-poren a la estructura las armaduras y los puntosde anclaje adecuados. Es necesario tener encuenta su montaje seguro.

Tensiones mecánicas

El peso del equipamiento es una de laspartes no desdeñables de la carga permanentede la estructura.

Las fuerzas a las que están sometidosalgunos de los elementos del equipamiento, p.ej., paso de los ejes sobre las juntas de dilata-ción, impactos sobre los pretiles, transferenciade carga sobre los sistemas de apoyos, generantensiones significativas en la estructura secun-daria.

Restricciones estéticas

El diseño de la imposta y los parapetosdebería guardar armonía con la estructura delpuente.

Exigencias de mantenimiento

En vista de las necesidades de inspec-ción, mantenimiento o sustitución de los elemen-tos de construcción del puente, debería propor-cionarse suficiente espacio para las instalacionesde acceso.

Se obtiene un proyecto satisfactorio sólosi se tienen en cuenta todos estos factores.

212

10. RESUMEN FINAL• Los puentes incluyen diversos tipos de

equipamientos que son esenciales parasu rendimiento y vida globales.

• El equipamiento del puente incluye: sis-temas de apoyo, acabados, juntas dedilatación, pretiles, protección frente a lacorrosión, drenaje, impostas e instala-ciones de inspección.

• La selección del equipamiento debebasarse tanto en el coste inicial comoen el coste relacionado con el manteni-miento o la sustitución.


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213

RESUEMN FINAL


Lección 18.11: Cubrejuntas y otras uniones en Puentes

215

217

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Proporcionar información general sobrelos empalmes y otras uniones en los puentes yofrecer pautas para su análisis y diseño.


Ninguno.

LECCIONES AFINES

Lecciones 2.6: Introducción al Proyecto dePuentes de Acero y Mixtos

Lecciones 4.1: Fabricación General deEstructuras de Acero

Lecciones 4.2: Montaje

Lección 4.6: Inspección / Garantía deCalidad

Lección 5.4: Protección contra la Corro-sión de Puentes

Lección 13.1.2: Introducción al Diseño deUniones

Lecciones 13.2: Uniones Soldadas

Lección 13.3.2: Uniones con Tornillos Pre-tensados

Lecciones 13.4: Análisis de Uniones

Lección 13.8: Uniones en edificios

Lección 14.1: Introducción a la Fatiga

Lección 14.6: Comportamiento de Fatigade Uniones Atornilladas

Lección 14.8: Conceptos Básicos deCálculo de Fatiga en elEurocódigo 3

Lecciones 18: Sistemas Estructurales:Puentes

Lección 20.5: Reforma de Puentes

RESUMEN

Se habla de los diversos métodos utiliza-dos para hacer empalmes y otras uniones en lospuentes y se ofrece una orientación sobre sudiseño. Se describen las uniones utilizadas enelementos de puentes en particular. La atenciónse centra en las consideraciones especiales quese aplican cuando la fatiga pudiera influir en suconcepción.

1. INTRODUCCIÓN

Además de ser los elementos más senci-llos de los puentes, de tramos relativamentecortos, las vigas principales de los puentesestán formadas por elementos unidos en eltaller. Por ejemplo, una viga compuesta se ela-bora normalmente mediante la soldadura con-junta de las alas superiores e inferiores, laschapas de alma y los rigidizadores. Una viga decelosía se fabrica a partir de cordones superio-res e inferiores con barras diagonales (y verti-cales) internas.

Normalmente, la mayor parte del trabajose realiza en el taller. Sin embargo, debido a laslimitaciones del tamaño de las piezas que sepueden transportar desde el taller hasta la obra,o posiblemente debido a los problemas de acce-so o a las limitaciones del peso que se puedeelevar hasta su posición, la mayoría de los puen-tes constan de diversos subconjuntos que seensamblan en la ubicación de la obra. Las unio-nes entre estos subconjuntos constituyen eltema de esta lección.

Las uniones en la obra, a las que se deno-mina empalmes, son necesarias entre las sec-ciones de las vigas principales, cuando éstas nose pueden transportar a la obra ni montar en unapieza. También se requieren para unir las barrassecundarias, p. ej., para unir los travesaños a las

vigas principales y para conectar cualquierarriostramiento que sea necesario.

La ubicación de los empalmes ejerce unainfluencia importante en los aspectos económi-cos del proyecto, trabajo de taller y montaje delos puentes. Además, los detalles de los empal-mes influyen en la fatiga y en la resistencia a lacorrosión de un puente.

Desde el concepto inicial, a través deldiseño y análisis, hasta los detalles finales delpuente, el proyectista debe siempre tener encuenta las uniones. En todas las etapas debesaber dónde van a estar estas uniones, cómo sediseñarán y detallarán, cómo se van a elaborar ycuándo se realizarán.

La posición y orientación relativas de loselementos que se van a unir puede marcar la dife-rencia entre una unión sencilla y eficaz y una quesea difícil de diseñar, detallar, elaborar y montar.Por esta razón, las uniones deben estudiarse enuna etapa inicial del proceso de diseño.

Una parte significativa del coste de unaestructura se puede atribuir a las uniones. Porejemplo, quizás sea razonable modificar el cantode una barra, como en el caso de un travesaño,si esto permite que se utilice una unión en elextremo más sencilla, aun cuando esto incre-mente el peso del elemento.

218

2. TIPOS DE EMPALMES

Existen dos métodos básicos de hacerempalmes. La soldadura, mediante soldaduras atope o soldaduras en ángulo, y la unión atornilla-da. Cuando los principales elementos del empal-me pueden unirse con soldaduras a tope deresistencia total, el diseño es sencillo y no seproduce el efecto de cualquier pérdida de sec-ción debido a los taladros de tornillos.

Al tomar una decisión sobre el uso de lasoldadura o de la atornilladura, éstos son algu-nos de los puntos que se deben tener en cuenta:

• Estética. Las uniones soldadas a topeson normalmente menos prominentesque las uniones atornilladas.

• Acceso. Se requiere un acceso adecua-do y seguro para ambos métodos deunión; pero también es necesaria la pro-tección del viento y la lluvia en una sol-dadura satisfactoria.

• Apoyo temporal. Se debe considerar elapoyo de la barra mientras se realiza launión. Esto es especialmente significati-vo en un empalme soldado, en el que laubicación y alineación de los elementosque se van a empalmar deben mante-nerse durante la soldadura. Esto amenudo requiere el uso de abrazaderasde montaje temporal y, si éstas estánsoldadas, es necesario tener en cuentael efecto de la soldadura a la hora derealizar cualquier verificación de fatiga(incluso si se retiran después del mon-taje).

• Corrosión. Se requiere un cuidadoespecial para garantizar que la protec-ción frente a la corrosión impida la oxi-dación entre las chapas en una uniónatornillada, y para que la superficie desoldadura se limpie adecuadamenteantes de pintar una unión soldada.Ambos tipos de unión deben entoncesrealizarse correctamente en lo que res-pecta a la resistencia a la corrosión.

• Detalles. Los empalmes de platabandaatornillada ocupan espacio adicional, en

comparación con los empalmes solda-dos a tope. Esto podría suponer un pro-blema, por ejemplo, cuando las chapasdel tablero se sujetan a alas superiores,especialmente cuando se va a aplicaruna fina superficie sujeta a desgastesobre las chapas del tablero.

• Coste. También debe tenerse en cuentael coste de las diversas opciones a lahora de tomar decisiones en relacióncon el tipo y la posición de las uniones.

2.1 Empalmes soldados

Además de la planificación previa y delcuidado que se requiere para hacer frente a losproblemas de apoyo temporal, acceso, ubicacióny buen ajuste, también deben estudiarse losefectos potenciales de la retracción de la solda-dura.

Estos puntos se pueden ejemplificarmediante referencia a la unión alternada que semuestra en la figura 1. Se puede contribuir a laalineación del ala omitiendo las soldaduras deala con alma durante una corta distancia X enambos lados de la unión durante el montaje. Las

219

TIPOS DE EMPALMES

x x

xx

Figura 1 Viga compuesta: empalme soldado

soldaduras de ala con alma se finalizan despuésde las demás soldaduras.

Un método para reducir los efectos de laretracción de las soldaduras transversales es com-pletar las soldaduras del ala antes de realizar lassoldaduras del alma. Debido a la esbeltez del alma,la retracción de las soldaduras del ala podría pro-vocar el pandeo del alma si se suelda primero. Unprocedimiento alternativo es realizar cordones indi-viduales de soldadura en las alas y alma por orden,comenzando por las alas. Esto debería tender aequilibrar las retracciones entre los elementos.

Los orificios de rebaje del alma adyacen-tes a las soldaduras del ala mejoran el accesopara soldar las alas y deben dar como resultadoun mejor modelo de tensión. Normalmente, elorificio de rebaje no se debe rellenar, aunque surelleno quizás sea necesario para la protecciónfrente a la corrosión de las vigas en cajón.

2.2 Empalmes atornillados

Los tornillos de apoyo, sin momento de tor-sión, de los orificios de paso normales (2 mm), nose usan generalmente para los empalmes de lospuentes. En la mayoría de los empalmes, la defor-mación asociada al deslizamiento hacia el apoyosería inaceptable. Para evitar este deslizamiento,se requieren tornillos calibrados, en taladros detolerancias muy pequeñas, o tornillos de AltaResistencia (TR). Generalmente, se utilizan torni-llos TR, para evitar la necesidad de adaptar y ave-llanar los orificios. El pretensado de los tornillostambién mejora su vida a la fatiga e impide que seaflojen las tuercas debido a la vibración.

Es importante que, cuando se vayan a uti-lizar tornillos TR, se dejen los huelgos apropia-dos para permitir el uso de herramientas deapriete adecuadas.

En la figura 2 se ilustra un típico empalmede cubrejunta atornillada. Es posible que tenganlugar desviaciones de los perfiles de las dos par-tes de la jácena, debido a las tolerancias de lami-nación, las diferencias en las alturas globales yla torsión o el alabeo relativos de las alas. Esto

puede dar como resultado una inadaptación talcomo la que aparece en la figura 3. La posibili-dad de que esto suceda debe examinarse en eldiseño del empalme y en la protección frente a lacorrosión. La adición de más tornillos, en laetapa de detalles, es una forma sencilla degarantizar que la resistencia al deslizamientoaún sería la apropiada si tuviera lugar una ina-daptación.

Se utilizan calzos o rellenos, por ejemplo,cuando existe un cambio en el espesor de la pla-tabanda. Es fundamental que las superficies delos rellenos o calzos cumplan los requisitos quese presuponen para las superficies de contacto,en el proyecto.

2.3 Empalmes híbridos

En un empalme se puede utilizar unacombinación de soldaduras y tornillos. En la figu-

220

Figura 2 Viga compuesta: empalme atornillado

X X

Figura 3 Falta de ajuste en las alas

ra 4 se ilustra una posible unión híbrida para unaviga ligera. En este empalme, cada una de lasplatabandas se une a una mitad de la viga en eltaller y la atornilladura se utiliza para completarel empalme en la obra. Una desventaja de estaunión es que cada parte requiere tanto perfora-ción como soldadura en el taller.

Si en la misma parte de una unión seemplea una combinación de diferentes tipos detornillos o de tornillos y soldaduras, con dife-rentes características de carga/deformación, lacarga tenderá a ser soportada por el rigidiza-dor que une los elementos. Por consiguiente,se debe suponer que o un tipo de tornillo o lasoldadura transmite toda la carga. Un ejemplode esto sería si una platabanda atornillada,que utiliza tornillos en los taladros de paso, sefuera a “reforzar” mediante soldadura en ángu-lo de la platabanda al ala. Se ignorarían los tor-nillos y la soldadura tendría que diseñarse de

forma que soportara toda la carga. Existe unaexcepción a esta regla, y es que cuando lostornillos TR se diseñan como resistentes aldeslizamiento en el estado límite final, puedeconsiderarse que comparten la carga con lassoldaduras, siempre que el apriete final de lostornillos se realice después de que se comple-te la soldadura.

221

TIPOS DE EMPALME

Figura 4 Empalme híbrido

3. DISEÑO

El procedimiento más sencillo para eldiseño de una unión consiste en examinar lasrutas de las cargas mediante las cuales las fuer-zas se transmiten a través de la unión. Por ejem-plo, en la unión de placa de extremo que se ilus-tra en la figura 5, la fuerza de tracción del alasuperior de la viga se transmite a través de lasiguiente ruta de la carga: ala de la viga a trac-ción - soldaduras en ángulo en cizallamiento -placa de extremo a flexión - tornillos a tracción -ala de la barra vertical a flexión - soldaduras enángulo de ala con alma a cizallamiento - alma dela barra vertical. De forma parecida, la ruta de lacarga seguida por el esfuerzo de compresión enel ala inferior es: ala de la viga a compresión -placa de extremo y ala de la barra vertical enapoyo/compresión - rigidizadores a compresión ycizallamiento - soldaduras en ángulo de los rigi-dizadores a cizallamiento - barra vertical.

Las rutas de las cargas a través de unaunión deben ser suficientes para soportar todaslas fuerzas, momentos y cizallamientos aplica-dos. Las rutas de las cargas deben ser comple-tas y estar en equilibrio, es decir, no deberían fal-tar eslabones ni existir puntos débiles. Deberíanser lo más directos posible.

Se requiere tener cuidado para garantizarque las peores combinaciones de momentos yfuerzas que puedan tener lugar en las unionesse utilicen para su diseño. No son necesaria-mente los momentos y las fuerzas utilizadaspara el cálculo de las barras. De esto se deduceque los momentos y las fuerzas suministradaspor un programa informático para el cálculo delas barras quizás no sean suficientes para eldiseño de las uniones.

Los ejes baricéntricos de las barras (y loselementos de las barras) deberían cruzarsesiempre que fuera posible. Si no es posible,deben tenerse en cuenta en el cálculo los efec-tos de cualquier excentricidad.

Siempre que sea factible, los ejes baricén-tricos del material de los empalmes debe coincidircon el eje baricéntrico de los elementos unidos.Cuando no sea posible, en el cálculo se debe con-siderar el efecto de cualquier excentricidad.

Evite las grandes concentraciones de ten-siones. Esto es especialmente importante cuan-do la fatiga pueda constituir un problema.

Examine el efecto de cualquier falta deajuste sobre el comportamiento de la unión, espe-cialmente en relación con el efecto que podríatener sobre la vida a la fatiga de la unión.

222

Figura 5 Unión con placa de extremo

4. TIPOS DE BARRAS

Existen muchos tipos de puentes deacero, p. ej., puentes de vigas simplemente apo-yadas, de vigas compuestas, de vigas de pórtico,de vigas de celosías (Prat, Warren y cuerda dearco), en arco, de cables atirantados y puentescolgantes. Además, existen variaciones como eluso de estructuras de tablero mixto.

Los principios básicos del diseño de lasuniones se aplican a todos los tipos de puentes.No es posible abarcar en una lección todos losdetalles específicos de los diferentes puentes.Sin embargo, a continuación se ofrece una orien-tación adicional sobre algunos de los empalmesmás frecuentes.

4.1 Vigas laminadas y armadas

Generalmente, los empalmes en las vigaslaminadas y armadas se hacen con cubrejuntasatornillados mediante el uso de tornillos TR. Otrasolución puede ser el uso de empalmes solda-dos, especialmente cuando se requiere unaspecto elegante.

Cuando las vigas laminadas son conti-nuas, por lo general los empalmes se sitúancerca del lugar donde estaría el punto de infle-xión (momento cero) si el puente estuvierasometido a carga uniforme. Debe determinarseel momento (y cizallamiento) máximo al quepuede estar sometido el empalme bajo los posi-bles modelos de carga. Si se ha utilizado laredistribución de momentos (cálculo plástico)para el diseño de la viga laminada, entoncestambién debería comprobarse el momento en elempalme asumiendo un cálculo elástico, puestoque, si el rendimiento de la viga laminada estápor encima del mínimo o si la sección es máspesada que el mínimo requerido, quizás notenga lugar la redistribución plástica. Sería pocorecomendable exigir que el empalme actuaracomo una rótula plástica. Si el momento de cál-culo es relativamente bajo, sería acertado dise-ñar el empalme de forma que transmitiera unmomento, de al menos, pongamos por caso, untercio del que produce fluencia en la fibra extre-

ma. Una resistencia mínima similar se deberíaaplicar a la resistencia al cizallamiento.

4.2 Vigas de celosía

Las vigas de celosía para tramos relativa-mente cortos generalmente se sueldan en eltaller, con un número mínimo de uniones en laobra. Las pasarelas y los puentes de transporta-dores con frecuencia se elaboran a partir de per-files huecos laminados en caliente, en cuyo casola soldadura es el único procedimiento razonablepara hacer las uniones en el taller. Si se necesi-tan uniones en la obra, pueden soldarse, o biense pueden utilizar alas atornilladas si son acep-tables estéticamente.

Las vigas de celosías de tramos másgrandes, en las que el canto es mayor que larelación canto/anchura que puede transportarse,generalmente se elaboran con uniones atornilla-das para su montaje en la obra. A menudo seemplean cartelas en la unión, para simplificar elmontaje y permitir que los ejes baricéntricos delas barras se encuentren en un único punto.

Con frecuencia se utilizan perfiles tubula-res soldados para los cordones de los puentesde mayor luz. En la figura 6 se muestra unaunión atornillada para un cordón de este tipo. Elespesor de las chapas del cordón ha aumentadopara compensar la pérdida de sección debida alos taladros de tornillos (y los orificios de acce-so). El empalme no debe estar en la sección demayor carga del cordón y se debería considerarla alternativa de proporcionar chapas más grue-sas al empalme, con el fin de evitar el coste desoldaduras a tope adicionales en los extremosde la chapa engrosada. Se requiere un orificio deacceso que facilite la aproximación para la colo-cación de los tornillos. Después del uso, se sellacon una platabanda para ofrecer protección alinterior del cordón frente a la corrosión.

4.3 Barras secundarias

En la figura 7 se muestran dos métodospara conectar las vigas transversales a las vigas

223

TIPOS DE BARRAS

principales. Ninguno de los detalles generaría laresistencia total de la viga trans-versal, pero esto no sería nece-sario normalmente (cuando sóloexisten dos vigas principales). Encualquier empalme, el hecho deque las chapas puedan despla-zarse o no hasta su contacto totaldepende de la precisión del tra-bajo de taller, la rigidez de laschapas y la fuerza de aprieteaplicada por los tornillos. Elempalme solapado es el mássencillo de elaborar y montar. Enel detalle de la placa de extremoatornillada, es más probable quela placa de extremo soldada sedeforme y existe menos toleran-

cia para tener en cuenta unpequeño error de longitud o ali-neación. Si, por ejemplo, existeun error en la alineación verticalrelativa de las placas de extremode travesaños adyacentes, a laacción de reunir las placas se leopone la resistencia a la torsiónde la viga principal y las resisten-cias a la flexión de las vigastransversales, de forma que elcierre de las placas quizás nosea posible. Si las placas no seunen correctamente, la vida a lafatiga de los tornillos TR sepuede reducir gravemente. Otrodetalle alternativo consistiría ensoldar una sección de la vigatransversal a la viga principal enel taller y utilizar un empalme deplatabanda para unir ésta a laparte principal de la viga trans-versal en la obra.

Generalmente se requierearriostramiento para proporcionararriostramiento torsional y laterala las vigas principales. En la figu-ra 8 se muestran dos sistemas dearriostramiento típicos de unpuente de construcción mixta.Las jácenas se arriostran por

pares para evitar las tensiones adicionales que

224

A

B

A

B

C

C Sección C - C

Sección A - A

Sección B - B

Figura 6 Empalme atornillado de cordón de viga de celosía

(a) Unión de solape (b) Unión con chapa de extremo

Figura 7 Uniones de vigas transversales a vigas principales

se producirían si se utilizara arriostramiento con-tinuo, lo cual redistribuiría la carga entre las jáce-nas.

4.4 Tableros ortotrópicos

Para los empalmes de los tableros orto-trópicos, la chapa, los nervios y las viguetas deltablero deberían unirse para proporcionar unaunidad integral. Los empalmes se pueden ator-nillar o soldar. La alineación de los detalles enla obra es un problema especial, siendo nece-

sarios un trabajo de taller y un montaje esme-rados.

Las uniones atornilladas (figura 9) tienden aser más complejas, pero presentan la ventaja deque su finalización en la obra no depende tanto dela climatología. Los empalmes soldados (figura 10)en dichos elementos del tablero que reciben muchatensión deberían realizarse con sumo cuidado.

225

TIPOS DE BARRAS

(a) Vigas transversales

(b) Arriostramiento en K

Figura 8 Sistemas de arriostramiento en puentes mixtos

Cubrejuntas (la chapa y los tornillos pueden ser un problema para el acabado del tablero)

A

A

Diafragma

Alma de la viga del tablero

Sección longitudinal por el nervio

Chapas de empalme (la alineación de los taladros resulta difícil con tres planos de chapa)

Tornillos de alta resistencia

Hueco de mantenimiento para la manipulación (reduce la resistencia de la sección)

Sección A - A

Figura 9 Empalme atornillado de los nervios del tablero

A

B2 B2

B2 22 28 a = 3

65

B16 30º

Figura 10 Empalme soldado de los nervios del tablero

5. FATIGA

Cuando la fatiga pueda ser un factor atener en cuenta en el diseño del puente, éste sedebe diseñar, detallar y elaborar de forma que seeliminen las concentraciones de tensiones siem-pre que sea posible. Entonces deben reducirselas tensiones admisibles, si así lo exigen lasreglas de diseño de fatiga, con el fin de tener encuenta los efectos perjudiciales de los demás(inevitables) concentradores de tensiones.

Éstos son algunos de los puntos que debeobservar el proyectista cuando el puente puedeestar sujeto a fatiga:

• En el cálculo no se permite la redistri-bución de las tensiones. A menudo seutiliza la ductilidad del acero para per-mitir la simplificación de los procedi-mientos de cálculo. Estas simplificacio-nes quizás no se apliquen.

• El cálculo de fatiga se basa en tensio-nes elásticas. Por lo tanto, no son acep-tables el análisis plástico y la redistribu-ción de momentos en una estructura.Para el cálculo debe utilizarse el módu-lo elástico y no el módulo plástico.Algunas de las reglas para la distribu-ción de la carga, como la distribución de21/2 a 1 a través de un ala, no son acep-tables, ya que se basan en el colapsoplástico del ala.

• Quizás deban estudiarse las tensionesdebidas a los efectos secundarios quese pueden ignorar en el cálculo estático.

• No se debería presuponer un apoyoentre las partes conectadas en unionesde soldadura en ángulo.

• Siempre que sea posible, evite las sol-daduras cerca de los bordes de las alas.

• Generalmente, las tensiones de fatigade cálculo son independientes de laclase de acero.

• Tenga en cuenta los efectos potencialesde la falta de ajuste y los errores de ali-neación de las piezas de una unión. Amodo de ejemplo, si existe una falta deajuste y las chapas verticales no estánen estrecho contacto en el área de lostornillos adyacentes al ala inferior de launión de la placa de extremo de la figu-ra 5, la vida a la fatiga de los tornillospodría ser muy corta. El motivo de estoes que los tornillos sólo tienen unamoderada vida a la fatiga, debido a quela variación del esfuerzo se reduce porel efecto de la carga previa de los torni-llos. Si se pierde la carga previa cuandose aplica el momento, debido a lareducción de la “falta de ajuste”, lavariación del esfuerzo en los tornillosaumentará, mientras que su vida a lafatiga se reducirá. La falta de ajuste queaparece en la figura 11 tendría el mismoefecto, aunque, puesto que están encontacto en los bordes del detalle,puede parecer que las chapas están encontacto al realizar una inspección.

226

Figura 11 Falta de ajuste de una unión en T o de placa de extremo

6. FABRICACIÓN Y MONTAJE

Existen diversos métodos para el montajede los puentes. Estos métodos incluyen la eleva-ción de todo el puente (o las vigas principales)de una pieza, el uso de cimbras para apoyar laspiezas mientras se realizan los empalmes en laobra, el deslizamiento del puente hasta su posi-ción mediante gatos y cabrestantes y el montajeen voladizo libre.

La magnitud de las piezas que se trans-portan hasta la ubicación de la obra depende dela capacidad del taller, los medios e instalacionesde transporte y el equipo de montaje en la obra.La magnitud máxima de una pieza que se va atransportar es generalmente de hasta 4,5 m deanchura, hasta 24 m de longitud y hasta 40 tone-ladas de peso.

Cuando se pueden elevar o mover hastasu posición en la obra piezas más grandes de las

que se pueden manejar en el taller (o transportara la obra), a menudo es ventajoso ensamblarparcialmente las distintas partes en piezasmayores en la obra antes del montaje final.

El coste del envío (transporte) frecuente-mente está en función del volumen ocupado, asícomo del peso. Por consiguiente, cuando setransportan a largas distancias las partes de, porejemplo, una viga de celosía, se pueden trans-portar como barras individuales y después sepueden ensamblar en la obra para formar la vigade celosía. El proyectista debería tener en cuen-ta este requisito al diseñar y detallar la viga decelosía.

Puede ser aconsejable un premontaje decomprobación del puente (o las partes adyacen-tes del puente si es grande) como parte de lostrabajos del taller, con el fin de garantizar que novan a tener lugar en la obra problemas innece-sarios de alineación y falta de ajuste.

227

FABRICACIÓN Y MONTAJE

7. INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD

Cuando se utilizan tornillos TR, se requie-re un control de calidad y una inspección paragarantizar que las superficies de contacto estánen conformidad con el reglamento adoptado enel diseño, que las poseen el contacto correcto yque en los tornillos se consigue la carga previamínima especificada.

Todas las soldaduras deben someterse ainspección visual y muchas de estas soldaduras,especialmente las situadas en los empalmes trans-

versales de las vigas principales, requerirán ade-más ensayo no destructivo (END). El aspecto másimportante que debe tener en cuenta el proyectista,al decidirse por un detalle de unión, es que debeexistir un acceso adecuado para la inspección y elensayo no destructivo que se van a llevar a cabo.

El proyectista debería informarse sobrelos requisitos básicos de los diversos procedi-mientos de inspección, especialmente aquéllosde control radiográfico y por ultrasonidos. Estoes necesario para que pueda asegurarse de quelos empalmes se detallan de forma que la ins-pección pueda realizarse correctamente.

228

8. RESUMEN FINAL

• Las posiciones y los detalles de los empal-mes deben tenerse en cuenta a lo largo delproyecto del puente, desde el concepto ini-cial, durante todo el proceso y hasta losdetalles finales.

• Las posiciones de los empalmes experi-mentan la influencia de factores de diseño ytambién de la magnitud y el peso de las pie-zas que se pueden manejar en el taller y enla obra, así como de los medios e instala-ciones de transporte entre el taller y la obra.

• Los empalmes deben ser detalles prácticos.Se deben estudiar detenidamente cuestio-nes tales como la retracción de la soldadu-ra, el acceso para la soldadura y la inspec-ción, así como los holguras para lasherramientas necesarias para apretar lostornillos TR.

• Las rutas de las cargas a través de las unio-nes deben ser suficientes para soportartodas las fuerzas, momentos y cizallamien-tos aplicados y deben ser completas y estaren equilibrio.

• Debe estudiarse el efecto de cualquier posi-ble falta de ajuste sobre la eficacia de lasuniones.

• Deben evitarse las grandes concentracio-nes de tensiones, especialmente cuando lafatiga pueda suponer un problema.

• Algunas de las hipótesis y simplificacionesadoptadas en el cálculo estático, que sebasan en la ductilidad del acero, no debenutilizarse en el cálculo de fatiga.


1. Rock, Albrecht, Weyer: Schrägseilbrücken.Verlag Wilhelm Ernst & Sohm, Berlin 1986.

2. Tschemmernegg: Neue Wege bei derFertigung und Montage einer fertiggeschweißten Straßenbrücke im Staate MinasGerais in Brasilien. “Der Bauingenieur” 46 Jgg(1971), Heft 9, S.309-319.

3. Stahlbau Handbch. Stahlbau-Verlagsgesells-chaft m.b.H Köln 1985, Band 2, S. 561-658.

4. Troitsky, M.S. “Orthotropic Bridges Theoryand Design” Second Edition, March 1987.

5. P259 Linkerhänger “Neubaustrcken derDeutschen Bundesbahn Rahmenplaning fürStahlbrücken” Bauingenieur 60/1985.

6. Steel Designers Manual, The SteelConstruction Institute, Blackwell, Oxford 1992.

7. Owens, G.W. and Cheal, B.D. “StructuralSteelwork Connections”, Butterworths, London1989.

229

RESUMEN FINAL


Lección 18.12: Introducción a la Construcción de Puentes

231

233

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Exponer los procedimientos contractualesy de programación de los proyectos de puentes,junto con los métodos de trabajo de taller y mon-taje.


Ninguno

LECCIONES AFINES




Lección 18.4: Puentes de Vigas Armadas yLaminadas


Lección 18.6: Puentes de Vigas en Cajón




Lección 18.11: Cubrejuntas y otras unionesen Puentes

RESUMEN

En primer lugar, la lección habla sobre losprocedimientos contractuales de los proyectos depuentes y ofrece algunas pautas sobre la elecciónde un licitador como contratista estándar.

En segundo lugar, se analiza el trabajoque se realiza en el taller y el transporte desde eltaller hasta la obra.

También se tratan brevemente los principa-les métodos de montaje de los puentes de acero.

1. INTRODUCCIÓN

Un puente hace posible que el tráfico devehículos o ferroviario o un servicio público pue-dan salvar obstáculos tales como una carretera ovía férrea, un río o un valle.

El proyectista estudia el carácter y la mag-nitud del obstáculo a salvar a la hora de estable-cer el tipo de estructura y compara varias alter-nativas para determinar la solución óptima.

En algunos casos, tales como crucesimportantes de ríos u otros obstáculos, es nece-

sario estudiar varios planes de conjunto (comose ilustra en la figura 1). La elección final se hacesólo después de haber examinado varios dise-ños competitivos. Los costes no son siempre elfactor principal a la hora de seleccionar el tipo depuente. En la selección del tipo de estructura seincluyen también requisitos funcionales, de ser-vicio y estéticos.

Esta lección abarca los procedimientoscontractuales y de programación de los proyec-tos de puentes, junto con los métodos de tra-bajo de taller y montaje de los puentes deacero.

234

235

INTRODUCCIÓN

110,0 110,0 110,0 110,0

MW

MW

MW

MW

MW

440,0

440,0

Doble Vía

~11

,5~

11,5

Doble Vía

Doble Vía

Doble Vía

Doble Vía

Coste comparativo 1,0

220,0 220,0


290,5

415,0

51,0


44,0

3 x 41,5 3 x 41,5290,0

539,557

,0


235,0 235,0

10 x 47,0


107,

5

107,

5

Figura 1 Planificación preliminar de puentes: Ejemplos de esquemas para viaductos de ferrocarril

2. PROGRAMACIÓN INICIAL

2.1 Promoción

Normalmente, un puente lo fomenta unimportante gobierno nacional o local o un depar-tamento cuasi estatal, como, por ejemplo, elDepartamento de Carreteras o Ferrocarriles.Dichos organismos tienen la responsabilidad anivel nacional de planificar el desarrollo de lasinfraestructuras y determinar las prioridades delos proyectos. Un puente puede ser una peque-ña parte de un proyecto de ese tipo y, por lotanto, tener unas repercusiones limitadas ennumerosas cuestiones de política, o puede cons-tituir un proyecto importante por sí mismo.

2.2 Programación

Un Director de Proyecto nombrado por elPromotor supervisa la programación del proyec-to, incluida la elaboración de proyectos técnicospreliminares y presupuestos de costes, la reali-zación de preparativos para consultas públicas yexpropiaciones forzosas y la determinación de laformalización del contrato. Su equipo puede pro-venir de la plantilla del Promotor o él puede nom-brar ingenieros consultores. Por consiguiente,

supervisará el diseño de detalle y el pliego decondiciones, y, a continuación, la ejecución delas obras. Un ingeniero consultor puede llevar acabo el diseño detallado y la supervisión.

2.3 Formalización del contrato

En una etapa inicial se deben tomar diver-sas decisiones sobre la formalización del contra-to; por ejemplo, ¿se invitará a los fabricantes apresentarse a una licitación para un proyectototalmente diseñado y especificado o sobre labase de una un pliego de condiciones y especifi-caciones con los fabricantes responsables delproyecto detallado? ¿Pagará el promotor al con-tratista por el trabajo realizado o el propio con-tratista financiará la construcción y recuperarásus costes y beneficios a partir de la explotacióndel proyecto?

2.4 El Supervisor independiente

En los puentes de gran importancia, esaconsejable un supervisor independiente. Supapel es verificar la estructura, desde el proyec-to hasta el montaje y puede incluir también resol-ver los litigios entre el proyectista y el construc-tor, etc.

236

3. PROCEDIMIENTOS DE LICITACIÓN

Existen diversos procedimientos de licita-ción; los siguientes son los más generalizados:

• El Promotor anuncia el proyecto en laprensa para que se presenten los con-tratistas interesados. El Promotor envíalos detalles suficientes para permitirlespreparar una expresión formal de inte-rés y capacidad.

• El Promotor invita a los contratistas(generalmente alrededor de cinco) apresentarse a una licitación. Les envíalos documentos del contrato; puedenser o bien proyectos totalmente detalla-

dos o bien pliegos de condiciones derendimiento con el licitador responsabledel desarrollo del proyecto.

• Los licitadores fijan el precio del proyec-to, ya sea como tarifas de cada elemen-to de trabajo o como una cantidad glo-bal, junto con un calendario detalladode los trabajos.

• Si se exige a los licitadores que realicenel proyecto, éstos proporcionan, con suslicitaciones, suficientes detalles quepermitan que se compruebe ese diseño.

• El Promotor decide qué oferta va aaceptar; la recepción se hace vinculan-te tanto para él como para el licitadorque ha tenido éxito.

237

PROCEDIMIENTOS DE UNA LICITACIÓN

4. VALORACIÓN DEL COSTE DE UN PUENTE DE ACERO

A la hora de comparar los costes de losdiferentes tipos de puentes, se deben considerartodos los aspectos pertinentes. Por ejemplo,parte del ahorro que ofrece un puente de acerosobre uno de hormigón puede provenir de unoscimientos más baratos. No se debería hacer lacomparación únicamente de acuerdo con lasuperestructura. También es importante tener encuenta el coste total durante la vida de la estruc-tura, teniendo en cuenta el mantenimiento quese va a requerir.

Los seis elementos principales del costede construcción de un puente de acero son:

• Materias primas, ya sean construidasdirectamente en el puente, p. ej., apo-yos, o elaboradas, p. ej., chapas deacero.

• Mano de obra y personal.

• Equipo, que abarca desde simplesherramientas manuales hasta equiposde montaje especiales.

• Gastos indirectos, que pueden ser gene-rales, p. ej., mantenimiento de la oficinaprincipal, o específicos del proyecto, p.ej., oficinas de obra, seguros, costes delicitaciones y gastos financieros.

• Subcontratistas.

• Estudios especiales.

• Beneficios.

Otros costes posibles que se deben teneren cuenta son:

• Trabajos diarios. El licitador proporcionatarifas para permitir la valoración de tra-bajo adicional, variaciones, etc.

• Inflación. Ya se tenga en cuenta en lascláusulas de Variación de Precio o en elencarecimiento de tarifas basado en lasprevisiones de inflación de los licitadores.

238

5. CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DE UN LICITADOR COMO FABRICANTEDE ESTRUCTURAS DE ACERO

5.1 Capacidad técnica

Un fabricante debe ser capaz de interpretarlas necesidades del Promotor a partir de los docu-mentos del contrato, hacer y utilizar planos preci-sos de trabajo de taller e idear y ejecutar un pro-yecto de montaje seguro. Si el contrato lo exige,debe ser capaz de elaborar el diseño detallado,contratando posiblemente a un ingeniero consul-tor. Debe disponer de procedimientos formales ysatisfactorios de Garantía de la Calidad y Segu-ridad, y debe ser capaz de responder ante los pro-blemas técnicos. También se valorará la experien-cia en la construcción de otros puentes.

En una estructura importante, el fabricantequizás desee contratar asesoramiento técnicoespecializado. Una medida de este tipo no debeconsiderarse como el reconocimiento de debilidadtécnica, sino como una actitud técnica responsable.

5.2 Programa

Un fabricante debe ser capaz de ejecutarobras de gran importancia en una escala detiempo requerida y debe tener procedimientos

adecuados de control de progreso. Debe sercapaz de reaccionar satisfactoriamente anteemergencias tales como prolongadas inclemen-cias del tiempo, incumplimiento de terceros, etc.

5.3 Costes

Puesto que no se debería haber invitado apresentarse a licitación a un fabricante que nocumpliera los criterios de rendimiento de capaci-dad técnica y programa, es probable que los cos-tes sean la principal base de comparación de laslicitaciones. No obstante, el Promotor tambiéntendrá que considerar, por ejemplo:

• ¿Necesita el licitador una estrechasupervisión para garantizar el rendimie-nto?

• ¿Está condicionada la licitación de algu-na forma que pudiera dar lugar a costesfinales mayores?

• ¿Alguna parte del proyecto del licitadorpresenta un riesgo inaceptable y hatenido en cuenta el licitador de formaadecuada los riesgos imprevistos?

• Si el licitador ha tenido que realizar elproyecto detallado a partir de un pliegode condiciones de rendimiento, ¿es total-mente satisfactorio (incluidas la durabili-dad, facilidad de mantenimiento, etc.)?

• Si un licitador ofrece un precio másbajo, pero necesita más tiempo para laejecución, ¿es eso aceptable?

239

CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN…

6. EJECUCIÓN-GENERALIDADES

Los métodos de trabajo de taller y monta-je de los puentes de acero tienen una importan-cia fundamental para el proyectista y el fabrican-te; mientras que los detalles son normalmenteresponsabilidad del fabricante, el proyectistadebe estar informado de los modernos procesos

de construcción, con el fin de realizar un diseñoeconómico.

Los materiales, el trabajo de taller y elmontaje se relacionan entre sí. Por ejemplo, elproceso de trabajo de taller depende a menudode la clase de acero utilizado y puede verse afec-tado profundamente por la ubicación de la obra yel método de montaje.

240

7. MATERIALES

7.1 Especificaciones del acero

Las normas nacionales se remontan a losprimeros años del siglo XX y se han actualizadocontinuamente a medida que se han comenzado aver las ventajas de una mayor tensión de fluencia,soldabilidad, tenacidad a baja temperatura, mejorade la resistencia a la corrosión, etc. En Europa,esta evolución culminó con la promulgación de unanorma común para el acero de construcción, EN10025, que ofrece las propiedades mecánicas yquímicas de una amplia gama de clases de acero.

7.2 Clase de acero y el fabricantede tallerCuando aumenta la tensión de fluencia, tam-

bién lo hacen los problemas del trabajo de taller. Lassoldaduras tienen más tendencia a defectos talescomo fisuración de la Zona Afectada por el Calor(ZAC). La fisuración de ZAC se puede evitar o redu-cir al mínimo con una adecuada tecnología de sol-dadura, por ejemplo, mediante una elección cuida-dosa de los electrodos y, posiblemente, preca-lentando el metal de base cerca de la soldadura.

La soldadura del acero provoca tensionesy/o deformaciones residuales, que pueden redu-cir, ambas, la resistencia de un puente o sus par-tes. Para evitar las deformaciones, se tienen quearriostrar paneles durante la soldadura. Cuandomás alta sea la tensión de fluencia, más gravesserán estos efectos.

Los medios para evitar o rectificar dichosproblemas entran dentro de la capacidad técnicade un encargado del trabajo de taller experimenta-do, que frecuentemente establecerá ensayos espe-ciales para determinar el procedimiento óptimo.

7.3 Soldabilidad y procedimientosde soldaduraLos efectos de la soldadura en las carac-

terísticas mecánicas del acero se limitan a la

Zona Afectada por el Calor de la soldadura; sinembargo, los defectos de soldadura se delatanpor la rotura y, por lo tanto, pueden llevar a unfallo estructural total. Por consiguiente, el acerodebe poseer una adecuada soldabilidad, que sepuede definir como su capacidad para conservarlas características satisfactorias en la soldadurade Zona Afectada por el Calor. Está en funciónde las características tanto del acero de basecomo de los consumibles y procedimientos desoldadura.

El acero de base que cumpla los requisi-tos de EN 10025 normalmente se puede consi-derar que es soldable, aunque esto únicamenteno garantiza una soldadura satisfactoria (véasela advertencia 7.5.1.1 de EN10025).

Los procedimientos de soldadura tienenuna importancia fundamental. Una unión solda-da puede detallarse de forma que se reduzcan almínimo las tensiones residuales en el enfria-miento; esto implica un mínimo de embridadoque pudiera dar lugar a una deformación inacep-table y, por lo tanto, supone una solución inter-media. La obligación del encargado del trabajode taller es garantizar que, con independenciadel proyecto, realiza un producto final satisfacto-rio.

Se obtiene una suficiente ductilidad de lasoldadura utilizando electrodos apropiados que,sin embargo, pueden generar sus propios proble-mas, especialmente si se usan para la soldaduramanual. Por ejemplo, los electrodos bajos enhidrógeno deben hornearse antes del uso y alma-cenarse en estufas precalentadas especiales.

A menudo se requiere el precalentamien-to del acero de base para evitar la fisuración; esmás probable que sea necesario con chapasmás gruesas y clases de acero superiores. Enlos últimos años se han introducido soldadorasautomáticas y semiautomáticas. Estas máquinaspueden funcionar a velocidades muy superioresa las que se obtienen con métodos manuales(véase 8.3).

Aunque los reglamentos ofrecen unaorientación sobre los procedimientos de solda-

241

MATERIALES

dura y el tipo de electrodo que se ha de utilizar,sigue siendo esencial que el encargado del tra-bajo de taller realice ensayos de procedimientoscontrolados sobre modelos establecidos querepresenten las condiciones que existen en lapráctica. Además, hay que someter a las unio-nes soldadas a exhaustivos ensayos no destruc-tivos, es decir, pruebas radiográficas y por ultra-sonidos y otros métodos de detección de fisuras.

La soldadura sólo la deberían realizar sol-dadores convenientemente cualificados, bajo lasupervisión de jefes de taller cualificados. Sedeben hacer pruebas periódicas a los soldadores.

La soldadura en los puentes requiere uncuidado especial; además de que las condicionesde servicio son onerosas, la soldadura en la obranecesita protección ante la climatología. La solda-dura en obra sólo puede realizarse de manera fia-ble con una preparación adecuada, que incluye:

• Provisión de soldadores cualificados enobra

• Medidas de inspección

• Acceso apropiado y protección ante laclimatología

• Suministro de equipo de precalentamien-to

Dichos preparativos generalmente sólo sepueden justificar para las estructuras de granimportancia. En condiciones de baja temperatu-ra, quizás se requiera el precalentamiento cuan-do habría sido innecesario en un taller.

Siempre se debe tener en cuenta la acce-sibilidad para la soldadura.

Se requiere siempre la inspección y losensayos de la soldadura en la obra.

242

8. PLAN DE CONJUNTO E INSTALACIONES DEL TALLER

8.1 GeneralidadesUn encargado del trabajo de taller normal-

mente realiza el trabajo de mayor calidad en untaller permanente, utilizando personal experto yequipo de gran calidad. Estas instalaciones elimi-nan las incertidumbres debidas a la climatologíay permiten que el encargado del trabajo de tallerplanifique su fabricación de manera eficaz y lalleve a cabo con precisión. Por lo tanto, se debenorganizar las instalaciones para fabricar seccio-nes tan grandes como sea factible en los talleres,dejando solamente el montaje y la unión finalespara la obra. En los talleres se pueden realizarpremontajes de comprobación de grandes sec-ciones, aunque esto se hace innecesario con lagran precisión que se obtiene usando equipo detrabajo de taller de control numérico.

El transporte por carretera y/o ferrocarrillimita la magnitud máxima de las piezas elabora-das que se pueden desplazar desde el taller,pero, si el plan de conjunto y la ubicación deltaller y de la obra lo permiten, se pueden trans-portar por barco grandes secciones del puente.

8.2 Objetivos

El encargado del trabajo de taller recibelas materias primas de sus proveedores, lastransforma en piezas lo más grande posible y lastransporta a la obra para su montaje. Su objetivoes mejorar la productividad mediante la reduc-ción del tiempo y de los costes de fabricación, altiempo que mantiene o mejora la calidad del tra-bajo de taller. A partir de sus anteriores registrosdebería ser capaz de optimizar y mejorar sufabricación, por ejemplo, mediante:

• Mejora del flujo de materiales entre pro-cesos de trabajo;

• Uso de detalles de elaboración mássencilla;

• Reducción de la pérdida relacionadacon la fabricación.

8.3 Taller de fabricación

La automatización del trabajo de taller delas vigas armadas se está generalizando, nosólo en cada una de las máquinas, sino tambiénmediante el establecimiento de cadenas de mon-taje, de forma que los procesos se sucedan unosa otros siguiendo un orden eficaz, con un mínimode manipulación humana. El objetivo fundamen-tal es vincular los detalles y el diseño asistido porordenador (CAD) con la fabricación asistida porordenador (CAM).

El encargado del trabajo de taller tieneque transformar los planos del proyectista en pla-nos de trabajo de taller. Esta transformaciónsupone la ejecución de magnitudes de corte(dejando un margen para las flechas de cargapermanente del puente, la retracción de la sol-dadura, etc.) y la pormenorización completa detodas las uniones. Muchos procesos de trabajoya se han automatizado completamente en algu-nos talleres actuales:

• Corte de las piezas. Las magnitudesde corte y los detalles de las uniones,que se calculan en la oficina de pro-yectos mediante CAD, se transfieren aun marcador y cortador mecánico decontrol numérico. Esta máquina fun-ciona con suma precisión y puede sercapaz de optimizar el corte de unagran chapa reduciendo al mínimo lapérdida.

• Soldadoras de pluricabezales. Estasmáquinas permiten colocar varias sol-daduras sin manipulación intermedia dela jácena y posiblemente están asocia-das a dispositivos automáticos paraponer en estrecho contacto las alas conlos bordes de las almas y para aplicarprecalentamiento antes de la soldadurasi es necesario.

• Colocación y soldadura automáticas dedetalles tales como rigidizadores dealma, etc.

• Colocación y perforación automáticasde taladros para tornillos de los empal-mes en la obra.

243

PLAN DE CONJUNTO E INSTALACIONES…

8.4 Estandarización

Las máximas ventajas de CAD/CAM sólose pueden obtener mediante una normalizaciónmáxima. Cuando se adjudica un contrato de unpuente partiendo de la base de un proyectototalmente detallado, quizás el proyectista nosepa a qué encargado del trabajo de taller se vaa contratar y, por consiguiente, no puede teneren cuenta el equipo especializado reglamentariodel que dispone este encargado. Un encargadodel trabajo de taller puede proponer modificacio-nes a los detalles, de forma que se adapten asus instalaciones y, siempre que estas modifica-ciones no mermen el rendimiento del puente, unproyectista debería aceptarlas.

Un contrato adjudicado sobre la base deuna norma de rendimiento permite a los encar-

gados del trabajo de taller que se presentan auna licitación plantear los detalles del puente deforma que se adapte a sus instalaciones y, porello, proponer la solución más rentable; tambiénsupone un incentivo para que un encargado deltrabajo de taller instale un equipo moderno y efi-caz y haga un uso efectivo del mismo.

Tenemos un buen ejemplo de normaliza-ción en las nuevas líneas de ferrocarril alemanas(N.B.S - Neubaustrecken). Teniendo en cuenta elimportante número de puentes en los itinerarios(aproximadamente el 9% de la longitud total), seconcibió una estructura de programación especí-fica; en este caso, se justifica la estandarización.En la figura 2 se muestran la sección transversaltípica, el precio de la superestructura para dife-rentes tramos y el intervalo de tramos (sin tra-mos intermedios).

244

245

PLAN DE CONJUNTO E INSTALACIONES…

14300

93002500 2500

2300 23004700± 0,00

710

916

-710

6540

6000

-7250

300

4800540

4700540

4800

Sección tipo de un puente de ferrocarril de doble vía

Rango de luces para puentes de acero

No Distancia entre los ejes de los pilares

(m)

Luz libre

(m)

Uso económico con alturas de pilares

desde hasta (m) (m)

1 2 3 4 5 6

25,00 30,00 40,00 44,00 50,00 58,00

22,75 27,75 37,75 41,75 47,75 55,75

25,00 25,00 48,00 48,00 68,00 68,00 78,00 78,00 95,00 95,00

Para viaductos de varios tramos, la luz óptima es 40 m para alturas de pilares entre 48 y 68 m

Figura 2 Ejemplo de puente de ferrocarril estandarizado

9. LA FABRICACIÓN EN LA PRÁCTICA

9.1 Introducción

El trabajo de taller del acero constituyeuna gran parte del coste global de la construc-ción de un puente. Por lo tanto, para reducir loscostes del trabajo de taller, el ingeniero debeminimizar la cantidad de trabajo de taller nece-sario y debe equilibrar los costes del peso redu-cido del material con los costes del aumento deltrabajo de taller.

El fabricante de la estructura de acero yel Ingeniero de cualquier estructura metálicadeben comprender el ámbito de los procesos detrabajo mutuos, con el fin de obtener las mejoressoluciones, tanto económica como técnicamen-te.

Lo ideal sería que el Ingeniero tuvierauna estrecha relación con el fabricante de laestructura de acero y fuera capaz de comentarcon él sus ideas cuando tengan un alcancemutuo. De la misma manera, el fabricante de laestructura de acero debería con toda libertadplantearle al Ingeniero asuntos concernientes alos procesos de trabajo que mejorarán el pro-ducto final.

Los diferentes encargados del trabajo detaller abordan un proyecto de formas diferentes;en esta sección se describen principios genera-les, junto con ejemplos reales de puentes espe-cíficos que se muestran en las figuras 3 a 8.

9.2 La información para fabricación

El diseño estructural debe proporcionarplanos que muestren la siguiente información:

a. La geometría global del puente.

b. La geometría detallada de los alzadosy las secciones de los puentes.

c. Tamaño y calidad de todos los perfileslaminados de acero y chapas.

d. Detalles de todos los rigidizadores ysus uniones.

e. Sujeción del tablero de hormigón de unpuente mixto a las barras principales.

f Detalles de empalmes entre elementoselaborados en el taller.

El diseño también proporcionará instruc-ciones para:

a. Tolerancias permitidas para los ele-mentos o para todo el puente.

b. Soldadura y/o atornilladura.

c. Requisitos de ensayos no destructivos.

d. Protección superficial.

El encargado del trabajo de taller suminis-tra a su taller planos detallados del trabajo detaller y la siguiente información adicional:

a. Cuadros de corte y taladro de chapasy perfiles de acero.

b. Preparación de los bordes de las cha-pas para la soldadura, junto con proce-dimientos de soldadura.

9.3 Tamaño de las piezas fabricadas

La magnitud de las piezas que se van aelaborar se rige por:

• Instalaciones del taller.

• Instalaciones y medios para transportarlas piezas a la obra.

• Procedimientos de montaje en la obra.

Las piezas transportadas por carreterano deben sobrepasar normalmente los 5 metrosde anchura, 4 metros de altura o 20 metros delongitud, aplicándose unas limitaciones másrigurosas al transporte por ferrocarril. Por barcose pueden trasladar piezas mucho más gran-des.

246

247

LA FABRICACIÓN EN LA PRÁCTICA

R = 670 m

C14800 P1 64000 P2 48000

C3

6000

6 x 8036 6 x 8036

161130

Planta

800 longitud del ala superior

900 longitud del ala inferior

22

22 22

2226

26

26

26

50 50

60 60 6060

35

3535

35

20 20 20 20 20 20

80 50 5080

100 10040 40

Símbolos para empalmes in situ

Construcción de la viga compuesta

Soldadura realizada in situ

Viga compuesta

R = 670 m

IPE 600

240

Pendiente 4%

6000

Sección transversal tipo

8 x 8036

Figura 3 Disposición general del viaducto de Gisia

Las figuras 3 a 6 muestran las magnitudestransportadas en esos casos. Por ejemplo, parael viaducto Gisia (figura 3) se hicieron por sepa-rado en el taller y se enviaron a la obra 16 vigaslaminadas, de 20 m de largo por término medio,19 pórticos transversales y 2 travesaños. Lasubicaciones de los empalmes en la obra se eli-gieron de forma que se redujera al mínimo elnúmero de soldaduras a tope en la obra y se evi-tara la soldadura de las chapas más gruesas enla obra.

9.4 Procedimientos de un puentemixto típico

Por ejemplo, el procedimiento de trabajode taller del puente Gisia (figura 3) era, en líneasgenerales:

a. Oxicorte de los paneles de almas y alas.

b. Soldadura a tope de los empalmes que tení-an lugar en las chapas dentro de la longitudsoldada, usando un proceso de soldadura

automática por arco sumer-gido en atmósfera inerte.Formación de longitudes dechapas de ala y alma paraelaborar la longitud de trans-porte necesaria (20 m) de lajácena.

c. Soldadura en ángulode las alas superio-res e inferiores a lasalmas y sujeción delos conectores a lasalas superiores.

d. Sujeción de los rigi-dizadores y provisiónde empalmes en laobra.

e. Elaboración de pórti-cos transversales ytravesaños.

Con la mayoría de lospuentes se realiza un mon-taje de comprobación en lostalleres, aunque la mejorade los procedimientos deFabricación Controlada porOrdenador (CCF) deberíanhacer que esto fuera menosnecesario en el futuro.Ejemplos típicos:

• Para las vigas lamina-das rectas, sólo deberíaser necesario presentarvigas conjuntamentepor pares para compro-bar la geometría de lasuniones en la obra.

248

37000

C0 9 x 4000 = 36000 C1

1800

T1 = 18500 T1 = 18500

Planta

400 x 25 grueso del ala

Empalme realizado in situ

10 Grueso del alma 10 Grueso del alma

9500 95009000 9000

400 x 25 grueso del ala 400 x 25 grueso del ala 400 x 25 grueso del ala 400 x 25 grueso del ala

Construcción de la viga compuesta

900

1800

Sección tipo

Figura 4 Esquema general del paso peatonal en Passerelle

249


6580 6580 6580 6580 6580 6580 6580 6164 x 7

6164 x 76602 6580 6580 6580 6580 6580 6580 6394

Apoyo

Alzado

46082 55706 46082

Diagrama clave Alzado esquemático

4500

1520 1520

1300 13009100

Sección tipo

Figura 5a Esquema general del viaducto de L'Eyrieux

• En puentes curvos de poco radio (inferiora unos 300 m), quizás sea necesario unmontaje de comprobación completa.

• En los puentes largos, el premontaje decomprobación completa es imposible enel taller; puede realizarse por etapas.Por ejemplo, se hizo un premontaje decomprobación en dos etapas del puen-te Clermont-Ferrand (figura 8):

Primera etapa: Se montaron las vigaslaminadas P1N, P2N, P1S, P2S, junto con trave-saños y pórticos transversales.

Segunda etapa: Se retiraron P1N y P1S,se hizo avanzar la parte restante (P2N y P2S) yse unieron a ella P3N y P3S junto con los trave-saños y los pórticos transversales.

9.5 Vigas armadas

Las vigas armadas se utilizan con muchafrecuencia en la construcción de puentes de

acero. Generalmente se elaboran como se indi-ca en la figura 9.

9.6 Puentes de celosías o devigas de celosíasLa amplia variedad de puentes de este

tipo significa que se tiene que decidir la secuen-cia del trabajo de taller para cada caso concreto,dependiendo de las instalaciones del encargadodel trabajo de taller.

Normalmente, los elementos de vigas decelosías remachadas se elaboraban a partir deperfiles o chapas laminadas, se unían mediantealas y almas, utilizando cartelas si era necesario,para un montaje “de piezas pequeñas” en la obra.En la figura 5 se muestra una versión moderna, elviaducto Eyrienx. Ahora se utilizan tornillos de altaresistencia en lugar de remaches.

Las barras de muchos puentes de celosí-as actuales son tubulares. Normalmente, en los

250

Chapa superior 620 x 14,18,20 o 22

Chapa lateral 580 x 14,18,20 o 22

Chapa inferior 530 x 14,18,20 o 22

Chapa superior 530 x 14, 18, 20 o 22

Chapa lateral 840 x 14, 18, 20 o 22

Ala 300 x 15 o 400 x 15

Ala 500 x 10 o 470 x 15

Cordón superior Cordón inferior Diagonal

Ala 240 x 28

Alma 474 x 16

Vertical

Ala 360 x 55

Alma 750 x 12

Viga transversal

Ala 400 x 15

Alma 470 x 15

Viga de rodadura

Chapa inferior 620 x 14,18,20 o 22

Figura 5b Detalles de elementos del viaducto de L'Eyrieux

251


Longitud Total = 122500

30 x 4063

60950 60950

C0 P1 P2

Planta Símbolos para empalmes realizados in situ

22161 2216124380 2438025280

24230 T1 24380 T2 25280 T3 24380 T4 24230 T5

Alzado

2750

Sección tipo

Figura 6 Pasarela peatonal en Moussac

252

Longitud Total = 106000

5000

Viga transversal60436 Rigidizador Longitudinal 44593

C1

P2

C3

Planta

T1 17239 T2 17833 T3 17833 T4 15852 T5 18824 T6 18229

10 ancho

6440

12 ancho Ala superior

16 ancho 12 ancho 10 ancho

18 ancho 18 ancho 18 ancho 18 ancho18 ancho de alma

25 ancho 25 ancho35 ancho Ala inferior

20 ancho

20 ancho

Construcción de la viga en cajón

5000

3200

880 1600 1600

Apoyo

Sección tipo

R = 250 m

Figura 7 Viaducto Siboulet

puentes pequeños, los tubos se sueldan directa-mente uno a otro; la compleja curva de intersec-ción se adapta bien a los procedimientos deCCF, formándose secciones completas en lostalleres, p. ej., pasarela Moussac, figura 6.

9.7 Puentes de vigas encajónLos procedimientos de

trabajo de taller para cajonesde magnitud media, p. ej.,viaducto Siboulet, figura 7,son similares a los utilizadospara vigas compuestas en unpuente mixto.

Las vigas en cajónrequieren una soldadura dela mejor calidad. Para uniralmas y alas deben usarselargos cordones de soldeoeléctrico automático por arcosumergido en atmósfera iner-te. A menos que se realicemuy bien, la unión de los rigi-dizadores longitudinales a lachapa del tablero tienemucha tendencia a la fatigaprematura bajo la carga debi-da al tráfico.

Las secciones trans-versales en los empalmes enla obra deben elaborarse conmucha precisión; los defectos

de alineación son difíciles de corregir. Los cajo-nes que se van a empalmar en la obra general-mente se elaboran por pares y se sujetan con-juntamente y de forma temporal los elementosapropiados, con el fin de garantizar la alineaciónantes de soldar en el taller la sección transversal.

253


82155

P1NP2N

P3N

5 x 54985 x 5014 5 x 5220

P1SP2S

P3S79658

Planta

112

5000

1320

Sección tipo

Figura 8 Sección tipo del paso elevado de ferrocarril en Clermont Ferrand

254

Todos los agujeros taladrados

(a) Preparación de alas y almas y soldaduras a tope

Izado y unión

Montaje horizontal o vertical (b) Ensamblaje y unión

Giro requerido

Gravedad

H/V Horizontal

(c) Soldadura de las alas al alma por H/V o gravedad

Todos los agujeros taladrados previamente

Agarradera para izado en el montaje

Conectores soldados

(d) Rigidización terminada

Giro requerido

Figura 9 Secuencia de ensamblaje de una viga de alma llena

10. TRANSPORTE

El fabricante de la estructura de acerodetermina el método de transporte de las sec-ciones desde el taller a la obra. Al valorar lasdiferentes posibilidades, tendrá en cuenta facto-res económicos y prácticos tales como:

• Disponibilidad, rapidez y capacidad delas posibilidades.

• Restricciones en cuanto al peso o lamagnitud de las piezas que se van atransportar: Restricciones nacionalessobre las dimensiones y restriccionesespecíficas, tales como puentes bajos,carreteras estrechas, etc., que puedenimponer restricciones adicionales en iti-nerarios concretos.

• Precauciones a tomar para estabilizar oproteger las piezas que se transportan.

• Instalaciones de carga y descarga delas piezas en los puntos de partida y lle-gada del recorrido.

• Deben proporcionarse dispositivos paraizar para la entrega y el montaje.

• Detalles del método de montaje. El tra-bajo de taller, el transporte y el montaje

se relacionan entre sí y la solución máseficaz requiere la valoración conjunta delos tres procesos.

Si es posible el transporte por barco, pro-bablemente se pueden desplazar piezas muchomás grandes. Las consideraciones especialesincluyen:

• ¿Las piezas serán autoflotantes o habráque transportarlas en barcazas?

• Suministro de fondeaderos, gradas delanzamiento, diques secos, equipo deelevación y manejo, etc., incluidas lasposibles instalaciones en la obra paraelevar grandes secciones y colocarlasdirectamente en su lugar.

• Restricciones en cuanto al itinerario (p.ej., puentes, esclusas).

• Estabilidad de flotación de las unidadesque se transportan, incluida la estabili-dad durante las tormentas.

• Resistencia al arrastre de las unidadesflotantes y, por lo tanto, potencia y dis-ponibilidad de los remolcadores, etc.,necesarios para el remolque.

255

TRANSPORTE

11. ENSAMBLAJE Y MONTAJEEN LA OBRA

11.1 Introducción

Las piezas transportadas desde el tallerpueden montarse directamente en sus posicionesfinales, o quizás requieran ensamblaje en la obrahasta formar piezas más grandes antes del monta-je. Durante el montaje, las tensiones de los ele-mentos del puente pueden superar las de servicioy los operarios y el puente estarán sometidos afuerzas ambientales (p. ej., viento, temperatura); unpuente incompleto es menos resistente a dichasfuerzas. Deben reducirse los riesgos hasta un nivelaceptable mediante arriostramiento temporal o per-manente, estructuras de acero adicionales o apo-yos temporales adicionales que refuercen el puen-te y mediante barreras, arneses de seguridad, etc.,que protejan a los operarios. Deben especificarselas responsabilidades de todas las personas de laobra, debiendo conocer los operarios y los supervi-sores la secuencia de montaje planificada. Un fallodurante el montaje podría dar lugar a la pérdida detodo un puente, junto con las vidas de operarios.

11.2 Métodos de montaje

11.2.1 GeneralidadesExisten muchos métodos de montaje de

puentes de acero; los cinco típicos son:

• Montaje a pie de obra;

• Lanzamiento;

• Elevación-izado;

• Montaje en voladizo;

• Deslizamiento.

Son posibles las combinaciones de estosmétodos.

11.2.2 Montaje a pie de obra

Este método implica el montaje del puen-te a partir de sus componentes o subconjuntos

individuales en su posición final, generalmentesobre cimbras o alguna otra forma de apoyo tem-poral, haciendo las juntas en la obra y retirandolas cimbras. Debe proporcionarse un adecuadoservicio de grúas que abarque toda la superficiedel tablero. La presencia de cimbras puede blo-quear temporalmente una carretera, vía férrea orío sobre el que se construye un puente. El mon-taje a pie de obra puede usarse conjuntamentecon otros métodos de montaje.

11.2.3 Lanzamiento

Este método supone el montaje de unpuente sobre rodillos o patines en su alineaciónfinal, pero al lado del obstáculo que se ha de cru-zar. Cuando se ha finalizado, se empuja o se tirahacia adelante para cruzar el obstáculo y sehace descansar sobre aparatos de apoyo en laorilla contraria.

Aunque su principio es sencillo, el lanza-miento requiere un control muy minucioso, espe-cialmente de los niveles, reacciones de los apo-yos, desplazamientos y tensiones. Exige unanálisis detallado, ya que, en las diversas eta-pas, las secciones de un puente pueden estarsometidas a cargas diferentes de aquéllas quese dan en estado de servicio.

El lanzamiento también requiere impor-tantes trabajos temporales, tales como un pes-cante de lanzamiento de extremo frontal y uncontrapeso y arriostramiento de extremo poste-rior, especialmente frente a la torsión. Quizásrequiera también cimbras sobre las que construirel puente en la orilla y desmontar el pescantedespués del uso. El equipo temporal puedeincluir:

• rodillos o patines sobre apoyos de osci-lación;

• cabrestantes, gatos y bloqueos de trac-ción;

• pistas de desplazamiento transversalpara realinear el lanzamiento;

• torres de levantamiento con gato ygatos verticales.

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11.2.4 Izado

Este método implica levantar una parteindependiente o la totalidad de un puente a ocerca de su posición final. Entre las piezas levan-tadas se puede encontrar desde una pequeñapasarela, de unas pocas toneladas, hasta unagran sección de un gran cruce cuyo peso sea de1000 toneladas. La elevación puede ser unaoperación completa en sí misma o parte de unesquema de montaje en voladizo.

El equipo de elevación varía desdepequeñas grúas para puentes pequeños hastagrúas flotantes muy grandes para piezas impor-tantes de puentes de estuarios; pueden utilizar-se cabrestantes o gatos en la parte del puenteque ya esté montada.

Las uniones con una parte ya montadapueden realizarse mientras la sección que selevanta es sustentada aún por el dispositivo ele-vador. Esto puede ser antieconómico si impideuna pronta liberación del dispositivo; sería mejorsustentar la sección con una abrazadera tempo-ral y desenganchar el dispositivo elevador.

El fabricante compara el ahorro económi-co del uso de muchos elevadores pequeños ybaratos o unos pocos elevadores grandes ycaros a la hora de optar por las operaciones deelevación.

11.2.5 Montaje en voladizo

Este método implica construir un puente,normalmente continuo sobre varios tramos, pro-gresivamente a partir de uno o ambos estribos,uniendo secciones al extremo de la parte yamontada. Un tramo de anclaje se eleva o semonta a pie de obra y, a continuación, se montanen voladizo las secciones a partir de aquí, o bienelevándolas desde el nivel del suelo o bien des-lizándolas a lo largo del tablero y haciéndolasdescender desde el extremo. Estas operacionesrequieren equipo especializado de elevación y/odescenso, así como medios para transportargrandes secciones al lugar del montaje. El con-tratista elige entre equipo muy pesado, a menu-

do construido con fines específicos, o grandescantidades de uniones en la obra.

El montaje en voladizo permite un fácilcontrol del perfil del puente, así como ciertocontrol sobre la distribución final de momentosen el puente. Durante el montaje en voladizo,pueden producirse grandes tensiones. Lospuentes de vigas armadas quizás tengan ten-dencia a inestabilidad lateral torsional de susalas de compresión. Los voladizos largos pue-den ser propensos a acción aerodinámica.Quizás sean necesarios espesores de la chapao arriostramientos adicionales, o apoyos inter-medios temporales.

El montaje en voladizo es ideal para puen-tes de cables atirantados múltiples, en los quelos vientos actúan como apoyos intermedios.

11.2.6 Deslizamiento

Este método supone la construcción delpuente desplazado lateralmente de la ubicaciónfinal para a continuación, levantarlo hasta suposición final. Por lo general se utiliza para sus-tituir un puente existente que no puede retirarsedel servicio durante un período prolongado.

El equipo necesario para controlar estaoperación incluye vigas-carril, placas de desliza-miento, gatos, cabrestantes, etc., además de loque se necesite para construir el puente en sualineación desplazada.

11.2.7 Elección del método

El fabricante, al elegir el método, tiene encuenta cuestiones como:

• Ubicación, topografía y orientación de laobra;

• Medios de transporte;

• Instalaciones - servicios de la obra,áreas de montaje de la obra, etc.;

• Equipo que posea o que esté fácilmen-te disponible;

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ENSAMBLAJE Y MONTAJE EN LA OBRA

• Destrezas especiales de su plantilla.

Por encima de todo, por supuesto, está laseguridad de la operación. El fabricante compa-ra la viabilidad y los costes del refuerzo del puen-te de forma que resista las cargas impuestassobre él por los diferentes métodos de montaje.

11.3 Control de tolerancias dimensionales

El fabricante debe finalizar un puente den-tro de las tolerancias especificadas, teniendo encuenta las flechas de carga permanente, las ten-siones del montaje, la distorsión por el soldeo, laaparición de las tensiones del trabajo de taller,etc.

Durante el trabajo de taller y el montaje enla obra, la precisión depende de un correcto ajus-te de las piezas y de unos buenos detalles deunión. El montaje de una gran pieza puede pro-vocar flechas de viga significativas en ella y en elresto del puente. El fabricante debe tener encuenta dichas flechas a la hora de detallar laestructura de acero. Durante el montaje debecomprobar que el puente presenta un rendimien-to como el previsto, realizando frecuentes estu-dios de niveles y alineaciones críticas, etc.,teniendo en cuenta efectos tales como la tempe-ratura. Cualquier discrepancia debe analizarseantes de que continúe el montaje, ya que estopuede significar tolerancias incorrectas en el cál-culo, que pueden corregirse mediante el ajusteprevio de las barras, el reajuste de los niveles dealineación de los apoyos, el nuevo tensado de losvientos en los puentes de cables inclinados, etc.

11.4 Efectos del viento

Los efectos del viento en un puente pue-den ser especialmente graves durante el monta-je. Un puente incompleto puede presentar unareducción de la resistencia o rigidez transversa-les y un voladizo largo puede poseer acción aero-dinámica. Puede ser necesario un arriostramien-to o un venteado temporales, o quizá se requieraun amortiguamiento estructural adicional.

Normalmente, los operarios no puedentrabajar con seguridad cuando la velocidad delviento supera los 20 m/s. Este factor puede afec-tar a la elección del esquema de montaje en lasobras desprotegidas.

11.5 Uniones en la obra

Normalmente, las uniones en la obra serealizan mediante soldadura o atornilladura, utili-zando tornillos de alta resistencia (TR). Las con-sideraciones prácticas de las uniones en la obraincluyen:

• Ubicación y clima de la obra;

• Cantidades relativas de empalmes en eltaller y la obra;

• Métodos habituales en el país de cons-trucción;

• Conocimientos técnicos del fabricante.

Al fabricante quizás no se le conozcadurante el proyecto. Después de que se le desig-na, puede ser que desee modificar las unionesen la obra. El director del proyecto debe estardispuesto a hablar sobre dichas modificaciones.

Dependiendo de una resistencia global ya la fatiga satisfactorias, las uniones deben per-mitir el ajuste en la obra y proporcionar la tole-rancia máxima para las imprecisiones del traba-jo de taller.

Cualquier unión que, después de la finali-zación, permite un movimiento lineal relativo entrelas piezas es inaceptable en un puente. Las unio-nes soldadas y las uniones atornilladas de altaresistencia constituyen uniones completamenterígidas entre secciones. Pueden usarse tornillosde alta resistencia en los orificios de paso, permi-tiendo así cierto ajuste de las piezas coincidentesantes de apretar. Puesto que tanto la soldaduracomo la atornilladura de alta resistencia sonestructuralmente satisfactorias, la elección puededepender de los siguientes factores:

a. Preparar empalmes en la obra para laatornilladura es más caro.

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b. La soldadura provoca deformación.

c. Las uniones atornilladas incompletaspueden mantenerse temporalmente ensu posición con brocas de localización,mientras que las uniones soldadasrequieren abrazaderas y chavetas.

d. La atornilladura requiere mano de obramenos cualificada.

e. Las uniones soldadas tienen más ten-dencia a la fatiga.

f. Las uniones atornilladas y soldadas enángulo por puntos pueden experimen-tar problemas de corrosión.

g. Normalmente, las uniones atornilladasrequieren sólo inspección visual; lamayoría de los defectos de soldadurano son visibles y la inspección requie-re métodos especializados.

h. Las reparaciones de las uniones ator-nilladas pueden realizarse mientras

prosigue el montaje. La reparaciónde una soldadura debe hacersegeneralmente antes de continuar elmontaje.

i. Las cabezas de los tornillos y las plata-bandas pueden obstruir equipos demontaje tales como los rodillos.

j. Las uniones atornilladas no se puedenusar en tableros de calzadas de acero,a menos que estén suficientementerecubiertas.

k. La soldadura requiere protección con-tra la intemperie, especialmente si seutilizan electrodos bajos en hidrógeno.La atornilladura depende menos de lascondiciones climatológicas.

l. La atornilladura no es apropiada parauniones en chapas muy gruesas. Lasoldadura de dichas piezas puede rea-lizarse con cuidado.

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ENSAMBLAJE Y MONTAJE EN LA OBRA

12. ORGANIZACIÓN EN LA OBRA

12.1 Generalidades

Para conseguir una construcción rápida,económica, de gran calidad técnica y -sobretodo- segura, se deben delimitar perfectamentela organización y la cadena de mando en la obra.Esto depende de la importancia y magnitud delproyecto.

12.2 El representante en la obra

El Representante en la Obra es el repre-sentante principal del fabricante en la obra. Enuna gran obra, puede tratarse de un Director; enuna pequeña, de un ingeniero superior o uncapataz. Debe estar presente de forma perma-nente en la obra y se ocupa personalmente de lagestión del fabricante en lo que respecta al mon-taje del puente.

En una obra grande, las obligaciones delRepresentante son en su mayoría de dirección,controlando el programa global, coordinando a lossubcontratistas, si los hubiera, y delegando lastareas pormenorizadas del montaje en el personalsubalterno. En una obra pequeña, él toma partepersonalmente en las operaciones cotidianas.Toma decisiones que tienen que ver con la ejecu-ción de los trabajos y comunica los problemas,cuando es necesario, a la persona responsable enla oficina principal del fabricante. Excepto en unaemergencia, no está autorizado a modificar elesquema de montaje sin dicha consulta.

Mantiene un registro de la evolución de laobra y de los problemas y sus soluciones.

12.3 Personal subalterno en la obra

Dependiendo de la magnitud de la obra, elRepresentante tiene bajo su control a diversos

niveles de personal subalterno. Define suscometidos (técnicos, administrativos, de supervi-sión, financieros, etc.) y determina su jerarquía.

12.4 Información facilitada

La información facilitada al Representantepara permitirle dirigir la obra incluye cuestionestales como:

• Planos de la obra;

• Plan de conjunto y planos detallados deltrabajo de taller, las uniones y el monta-je;

• Detalles de geometría, niveles y contra-flechas, etc., finales necesarios;

• Planos de trazado de componentes;

• Pliego de condiciones de las caracterís-ticas de los materiales, procedimientosde ejecución, preparación de la superfi-cie, pintura, etc.;

• Descripción del equipo de montaje einstrucciones de funcionamiento y man-tenimiento del mismo;

• Relación detallada de los métodos demontaje, en la que consten los requisi-tos de las operaciones, incluidas flechasde viga, métodos de ajuste, precaucio-nes sobre la climatología, inspección yensayos, restricciones sobre las fuerzasde gatos, los cabrestantes, las grúas,etc.;

• Requisitos y normas de seguridad.

12.5 Personal del promotor en la obra

El Promotor normalmente proporcionapersonal en la obra, dirigido por un Ingeniero deObra, para supervisar y verificar el trabajo delcontratista, con el fin de garantizar que cumplesus obligaciones contractuales de forma seguray rápida.

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13. RESUMEN FINAL

• El Promotor del proyecto de un puentedebe decidir en una etapa inicial las dis-posiciones contractuales y financierasdel proyecto.

• Un Promotor sólo debe invitar a presen-tarse a una licitación a fabricantes com-petentes y experimentados.

• Al aceptar una licitación, un Promotorquizás deba tener en cuenta otros fac-tores que únicamente el coste más bajo.

• Un contratista de estructuras de acerodebe coordinar todos los aspectos de laconstrucción (trabajo de taller, transpor-te, ensamblaje en la obra y montaje) alplanificar su trabajo.

• El fabricante obtiene considerables ven-tajas en el uso de modernas técnicas detrabajo de taller y montaje.

• El esquema de montaje debe ser apro-piado para la obra y los conocimientostécnicos disponibles.

• Deben delimitarse claramente la organi-zación y las responsabilidades de la obra.

• Por encima de todo, la SEGURIDAD debeser primordial en lo que constituye unaoperación de riesgo físico significativo.


1. Eurocode 3: “Design of Steel Structures” ENV1993-1: Part 1: General Principles and Rules forBuildings, CEN, 1992. Part 2: Bridges and PlatedStructures.

2. Tordoff, D., “Steel Bridges”, BritishConstructional Steelwork Association, ISBN 0-85073-018-X.

3. Iles, D. C., “Replacement Steel Bridges forMotorway Widening”, Steel ConstructionInstitute, 1992. ISBN 1-870004.73.6.

4. Linkerögner, W., “Neubaustrecken derDeutschen Bundesbahn. Rahmenplaning fürStahlbrucken”, Baumgenieur 60/1985 SpringerVerlag.

5. Hansen, E., “Planning Lines ViergleisigenEisen - Bahnbrückenzuges bei Dusseldörf-Hamm fur die Ost-West S-Bahn”, Der Stahlban,Heft 9/1980.

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RESUMEN FINAL

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