Tesis Ing. Daniel Cruz Pineda

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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Civil DISEO DE: PUENTE DE MEDIANA LONGITUD UTILIZANDO LAS NORMAS DE LA ASOCIACIN GUATEMALTECA DE INGENIERA ESTRUCTURAL Y SSMICA Daniel Alfredo Cruz Pineda Asesorado por el Ing. Diego Castellanos Guatemala, noviembre de 2008 UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA DISEO DE: PUENTE DE MEDIANA LONGITUD UTILIZANDO LAS NORMAS DE LA ASOCIACIN GUATEMALTECA DE INGENIERA ESTRUCTURAL Y SSMICA TRABAJO DE GRADUACIN PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERA POR DANIEL ALFREDO CRUZ PINEDA ASESORADO POR EL ING. DIEGO CASTELLANOS AL CONFERRSELE EL TTULO DE INGENIERO CIVIL GUATEMALA, NOVIEMBRE DE 2008 UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA NMINA DE JUNTA DIRECTIVA DECANOIng. Murphy Olympo Paiz Recinos VOCAL IInga. Glenda Patricia Garca Soria VOCAL IIInga. Alba Maritza Guerrero Spnola de Lpez VOCAL IIIIng. Miguel ngel Dvila Caldern VOCAL IVBr. Jose Milton de Len Bran VOCAL VBr. Isaac Sultn Meja SECRETARIAInga. Marcia Ivnne Vliz Vargas TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO DECANOIng. Murphy Olympo Paz Recinos EXAMINADORIng. Armando Fuentes Roca EXAMINADORIng. Pedro Antonio Aguilar Polanco EXAMINADORIng. Alejandro Castan Lpez SECRETARIAInga. Marcia Ivnne Vliz Vargas HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin titulado: DISEO DE: PUENTE DE MEDIANA LONGITUD UTILIZANDO LAS NORMAS DE LA ASOCIACIN GUATEMALTECA DE INGENIERA ESTRUCTURAL Y SSMICA, tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Ingeniera Civil, el 22 de abril de 2008. Daniel Alfredo Cruz Pineda AGRADECIMIENTOS A: DIOSPor las bendiciones derramas sobre m a lo largo de estos aos. MI FAMILIAPor su apoyo incondicional. A MI ASESORIng.DiegoCastellanos,porsuvaliosa colaboracinenlaelaboracindel presente trabajo de graduacin. ACTO QUE DEDICO A: Mi madre Leticia Pineda, por ser pilar fundamental de mi vida, madre y amiga. Mi padre Alfredo Cruz, por mostrarme que con esfuerzo las metas no son imposibles. Mi hermanaLilian Susana, por su apoyo y aprecio. Mis abuelosPor sus sabios consejos. Mis tas Lupe, Sheny, Juana, Rosa y Nana. Por su cario y amor mostrado a lo largo de mi vida. Mis primosPor su compaa, durante mi niez. Mis amigos Lucia, Javier, Karina, Elder y Pao, por acompaarme a lo largo de estos aos. Mis compaeros de trabajo Ingeniero Hugo Njera y Anibal Choc, por la confianza y el apoyo brindado durante estos meses. NDICE GENERAL NDICE DE ILUSTRACIONESIX GLOSARIOXI RESUMENXV OBJETIVOSXVII INTRODUCCINXIX 1.HISTORIA Y EVOLUCIN1 1.1 Historia1 1.1.1Inicios1 1.1.2Elementos2 1.1.2.1 Infraestructura3 1.1.2.1.1Juntas de dilatacin3 1.1.2.1.2Sistema de drenajes3 1.1.2.1.3Parapetos 3 1.1.2.1.4Sealizaciones3 1.1.2.2 Subestructura4 1.1.2.2.1Pilas y estribos4 1.1.2.2.2Pilotes4 1.1.2.2.3Zapatas4 1.1.2.3 Superestructura5 1.1.2.3.1Sistemas portantes de viga5 1.1.2.3.2Diafragmas5 1.1.2.3.3Losas5 1.1.3Primeros puentes.5 I1.2 Evolucin 7 1.2.1Materiales.8 1.2.2Procedimientos constructivos10 2.TIPOS DE PUENTES13 2.1 Tipologa 14 2.1.1 Atirantados.14 2.1.1.1 Cantilver16 2.1.1.2 Colgantes17 2.1.1.3 Estructura metlica 20 2.1.1.4 Vigas 22 2.2 Materiales23 2.2.1 Concreto24 2.2.1.1Pre-tensado25 2.2.2 Acero27 2.2.3 Madera30 2.3 Por su uso32 2.3.1 Vehicular32 2.3.2 Peatonal32 2.3.3 Artesanal32 II3.METODOLOGA DE DISEO SEGN AGIES Y ASSTHO33 3.1 Criterios y lineamientos AGIES.33 3.1.1Diseo de la superestructura33 3.1.1.1Diseo de la losa33 3.1.1.1.1Carga muerta33 3.1.1.1.2Espesor de losa.33 3.1.1.2Clculode momentos 33 3.1.1.2.1Momento debido a carga muerta33 3.1.1.2.2Momento producido por carga viva33 3.1.1.2.3Momento producido por carga de impacto34 3.1.1.3Clculodel acero de refuerzo34 3.1.1.4Diseo de vigas y diafragmas34 3.1.1.4.1Clculo del momentos debido a sobre carga, fraccin de carga, carga por eje, carga muerta ycarga de impacto35 3.1.1.4.2Clculodel momento total35 3.1.1.4.3Clculodel acero de refuerzo35 3.1.2Diseo de la subestructura35 3.1.3Diseo de estribo35 3.2 Criterios y lineamientos ASSTHO36 3.2.1Diseo de la superestructura.36 3.2.1.1Diseo de la losa.36 3.2.1.1.1Espesor de losa36 3.2.1.2Clculode momentos 36 3.2.1.2.1Momento debido a carga muerta36 3.2.1.2.2Momento producido por carga viva37 3.2.1.2.3Momento producido por carga de impacto37 3.2.1.3Clculodel acero de refuerzo38 3.2.1.3.1Clculode refuerzo transversal IIIcama inferior 38 3.2.1.3.2Clculode refuerzo longitudinal cama superior e inferior.38 3.2.1.3.3Clculode refuerzo transversal cama superior.39 3.2.1.4Diseo de vigas. 39 3.2.1.4.1Clculodel momento por sobre carga.39 3.2.1.4.2Fraccin de carga (Fq).39 3.2.1.4.3Carga por eje.40 3.2.1.4.4Clculodel momento por carga muerta.40 3.2.1.4.5Clculodel porcentaje de impacto.40 3.2.1.4.6Clculodel momento total.41 3.2.1.4.7Clculodel acero de refuerzo.41 3.2.1.4.8Refuerzo adicional.41 3.2.1.4.9Diseo a corte41 3.2.1.4.9.1Esfuerzo cortante por carga muerta41 3.2.1.4.10 Esfuerzo cortante ltimo42 3.2.1.4.11 Clculode refuerzo a corte42 3.2.2Diseo de diafragmas42 3.2.3Diseo de la subestructura43 3.2.3.1Diseo de la cortina43 3.2.3.1.1Clculode fuerza longitudinal (LF)43 3.2.3.1.2Clculode sismo44 3.2.3.1.3Clculode la presin del suelo44 3.2.3.1.4Clculodel momento de diseo. 44 3.2.3.1.5rea de refuerzo45 3.2.4Diseo de estribo45 3.2.4.1Revisin del muro sin superestructura45 3.2.4.2Revisin del muro con superestructura IVy carga viva46 4.EJEMPLO REPRESENTATIVO47 4.1 Diseo de puente vehicular.47 4.1.1Consideraciones generales47 4.1.1.1Descripcin del proyecto47 4.1.1.2Especificaciones de diseo48 4.1.2Estudios topogrficos49 4.1.3Estudios hidrulicos49 4.1.4Suelos49 4.1.5Diseo de la estructura 50 4.1.5.1Consideraciones de diseo50 4.1.6Diseo de la superestructura50 4.1.6.1Diseo de la losa50 4.1.6.1.1Espesor de losa51 4.1.6.2Clculode momentos 51 4.1.6.2.1Momento debido a carga muerta52 4.1.6.2.2Momento producido por carga viva53 4.1.6.2.3Momento producido por carga de impacto54 4.1.6.3Clculodel acero de refuerzo55 4.1.6.3.1Clculode refuerzo transversal cama inferior 57 4.1.6.3.2Clculode refuerzo longitudinal cama superior e inferior57 4.1.6.3.3Clculode refuerzo transversal cama superior57 4.1.6.4Diseo de vigas58 4.1.6.4.1Clculodel momento por sobre carga58 4.1.6.4.2Fraccin de carga (Fq)59 V4.1.6.4.3Carga por eje59 4.1.6.4.4Clculodel momento por carga muerta 62 4.1.6.4.5Clculodel porcentaje de impacto63 4.1.6.4.6Clculodel momento total63 4.1.6.4.7Clculodel acero de refuerzo63 4.1.6.4.8Refuerzo adicional64 4.1.6.4.9Diseo a corte64 4.1.6.4.9.1Esfuerzo cortante por carga muerta64 4.1.6.4.9.2Esfuerzo cortante por sobrecarga 65 4.1.6.4.10 Esfuerzo cortante ltimo66 4.1.6.4.11 Clculode refuerzo a corte66 4.1.7Diseo de diafragmas67 4.1.8Diseo de la subestructura68 4.1.8.1Diseo de la cortina68 4.1.8.1.1Clculode fuerza longitudinal (LF)68 4.1.8.1.2Clculode sismo69 4.1.8.1.3Clculode la presin del suelo70 4.1.8.1.4Clculodel momento de diseo70 4.1.8.1.5rea de refuerzo70 4.1.8.2Diseo de la viga de apoyo71 4.1.8.2.1Chequeo por aplastamiento71 4.1.8.2.2Clculode refuerzo longitudinal72 4.1.9Diseo de estribo72 4.1.9.1Clculodel momento de volteo73 4.1.9.2Clculodel momento estabilizante74 4.1.9.3Revisin del muro sin superestructura75 4.1.9.4Revisin del muro con superestructura y carga viva76 VICONCLUSIONES79 RECOMENDACIONES81 BIBLIOGRAFA83 APNDICE85 VII VIIINDICE DE ILUSTRACIONES FIGURAS 1Puente atirantado.15 2Puente cantilver.17 3Puente colgante.20 4Puente de estructura metlica21 5Puente de vigas23 6Puente de Madera32 7Esquema de cargas camin T3-S338 8Diagrama de momentos52 9Distribucin de cargas por ejes del camin T3-S354 10 Diagramas de distribucin de sobrecarga.59 11 Distribucin de fuerzas por eje.60 12 Diagrama de distribucin de fuerzas criticas.60 13 Diagrama de distribucin debido a carga viva.61 14 Diagrama de cortante mximo.62 15 Diagrama de distribucin debido a sobrecarga.65 16 Esquema de cortina.69 17 Diagrama de presiones.73 18 Elevacin y detalle de estribo.86 19 Armado de losa.87 20 Detalle de vigas y diafragmas.88 IXTABLAS IMomento de Volteo.74II Momento estabilizante74 X GLOSARIO AccesoEntrada o paso al puente AceroAleacindehierroycarbonoconteniendomenosdeun 1,7 % de carbono, susceptible de adquirir propiedades muy variadas mediante tratamiento mecnico y trmico. AnclajeEnlacedelaspartesdeunaconstruccinmediante elementosmetlicos(tirantes,pernos,anclas,etc.)que aseguran la inmovilidad del conjunto. ArcoConstruccin curvilnea que cubre el vano de un muro o la luz entre los pilares... CargaFuerzas aplicadas directamente sobre las estructuras y que son la causa de sus posibles movimientos y deformaciones. CementoConjuntodesustanciaspulverulentascapacesdeformar conelaguapastasblandasqueseendurecen espontneamentealcontactodelaireodelagua,ysirven paraformarbloquesoparaunirloselementosdela construccin. XICimientoElementos de los puentes formados por las rocas, enormes masas de concreto armado (zapatas), terreno o pilotes que soportanelpesodeestribosypilas.stostransmitenlas tensionesaloscimientosqueasuvezlasdisipanenel terreno circundante. ColumnaPiezaarquitectnica,generalmentecilndrica,demucha mayor altura que dimetro, que sirve para sostn y apoyo o slo para adorno. Concreto armado Estructuramixta constituidaporconcretoordinarioyuna seriedebarrasdehierrotalesquehacenalaestructura resistentetambinalatensin.Lasbarrasdehierro (armadura)sedisponenoportunamenteenlaszonasdel concreto sometidas a esfuerzos de tensin. Concreto PretensadoEn este tipo de concreto se modifica el estado de tensin de la estructura imponiendo a priori un estado de deformacin independientedelascargasexternasquegravitarnsobre esaestructurapuestaenobra.Mientrasqueelconcreto armadonormalpuedeconsiderarseconstituidodedos partes:elconcreto,queresistebienalacompresin,yla armadura,queresistealatensin,elconcretopretensado constituyeunaestructurahomogneaqueresistebien ambas acciones. DiafragmaChapaderefuerzotransversalparaaumentarlarigidezde loslargueros.Mantienenlaalineacindeloslargueros XIIdurante la construccin y tienden a equilibrar la distribucin transversal de las cargas entre los mismos. EstribosApoyos del puente situados en los extremos y sostienen los terraplenes que conducen a l. FatigaEsfuerzoquesoporta,porunidaddeseccin,uncuerpo sometido a fuerzas externas. Disminucin de resistencia de un material sometido a la accin de tensiones variables. InfraestructuraConjuntodeunpuenteformadoporloscimientos,los estribos y las pilas que soportan los tramos. JuntaSeparacinentredoselementoscontiguos.Lasjuntas debensercapacesdeabsorberlasdilatacionesdelas superficiesqueseparanparaevitardeformacionesy esfuerzos en la estructura. LuzDistancia horizontal entre los apoyos de un arco o entre pilas contiguos de un puente. PiloteEstaca que penetra hasta alcanzar estratos ms resistentes para consolidar los cimientos en obras hidrulicas o terrenos muy dbiles, trasladando las cargas (del puente) a terrenos ms profundos. SuperestructuraConjunto de los tramos que salvan los vanos situados entre los soportes de un puente. XIIIVigaElementodeconstruccindematerialdiverso(madera, hierro, concreto) que se usa para formar techos y sostener construcciones. ZapataEstructura de concreto armado sobre la que se apoya el pilar ycuyafuncinesladedistribuirlaelevadacargadelpilar sobre una superficie que sea lo ms amplia posible. XIV RESUMEN Acontinuacinsepresentaeldiseodeunpuenteparausovehicular, implementandolasnormasdelaAsociacinGuatemaltecadeIngeniera Estructural y Ssmica (AGIES), esto debido a que toda estructura, se debe regir a los cdigos de sismo resistencia vigente. El presente proyecto consiste en disear un puente vehicular de concreto reforzado, de una va, capaz de soportar cargas de vehculo AASHTO H15-44, con una luz entre apoyos de 25m y un ancho total de 4.70m, estribos de concreto ciclpeo, vigas de apoyo, diafragmas y cortinas de concreto reforzado. Despusdeevaluarlasdiferentesclasesdeestructurasquesepueden utilizar,seseleccionunadeconcretoreforzadofundidaIn-Situ(enellugar), debidoaqueconestossepuedencubrirlucesdehasta25metrossinapoyo central, no necesita equipo especial para su construccin. XV XVI OBJETIVOS General: Obtenerunametodologaquetomeencuentalasconsideracionesde anlisis y diseo estructural propuestas por La AGIES en sus normas. Especficos: Conocer a grandes rasgos la historia y posterior evolucin de los puentes. Clasificar los puentes segn los lineamientos de los cdigos tanto en el mbito nacional as como internacional. Establecerunametodologaquepermitaanalizarlospuentesparauso vehicular segn las normas AGIES. Recopilar las recomendaciones ms importantes de los cdigos de diseo. Implementar los criterios y lineamientos en un problema representativo. XVII XVIIIINTRODUCCIN A lo largo de la historia el ser humano se ha encontrado con obstculos en su camino pero ha podido encontrar las maneras para poder sortear estos obstculos; una de esas maneras es el uso de estructuras llamadas puentes, un puente no es ms que una construccin de piedra, ladrillo, madera, hierro o concreto, que se construye y forma sobre los ros, fosas u otros sitios, para poder pasarlos. Este instrumento de ingeniera ha ido evolucionando desde ser una herramienta de uso comn hasta ser una obra civil de gran importancia en las grandes metrpolis. Es por la gran importancia que este ha recibido que se ha hecho necesario configurarlos y construirlos ms seguros, a tal punto que se han desarrollado lineamientos para su diseo con carcter antissmico, es decir sonconcebidosparapodersoportarmovimientostelricos.EnGuatemalaporsu ubicacin geogrfica es un pas que es propenso a sufrir esta clase de movimientos, a razdeestosecrelaAsociacinGuatemaltecadeIngenieraEstructuralySsmica (AGIES).QueintegraaprofesionalesenelmbitodelaIngenieraCivil,Geologay demsciencias.Estosprofesionalesdesarrollaronnormasquerigeneldiseode estructuras con carcter antissmico. La estructura propuesta es un puente de mediana longitudparaelusodepasovehicular,estaestructuraseranalizadautilizandolas cargas de diseo ssmicas sugeridas por estas normas AGIES, al igual se emplearn los criterios que estas normas sugieran. XIXXX 1.HISTORIA Y EVOLUCIN 1.1.Historia 1.1.1.Inicios El arte de construir puentes tiene su origen en la misma prehistoria. Puede decirse que nace cuando un buen da se le ocurri al hombre prehistrico derribar un rbol en forma que, al caer, enlazara las dos riberas de una corriente sobre la que deseaba establecer un vado. La genial ocurrencia le exima de esperar a que la cada casual de un rbol le proporcionara un puente fortuito. Tambin utiliz el hombre primitivo losas de piedra para salvar las corrientes de pequea anchura cuando no haba rboles a mano. En cuanto a la ciencia de erigir puentes, no se remonta ms all de un siglo y nace precisamente al establecerse los principios que permitan conformar cada componente a las fatigas a que le sometieran las cargas. El arte de construir puentes no experiment cambios sustanciales durante msde2000aos.Lapiedraylamaderaeranutilizadasentiempos napolenicosdemanerasimilaracomolofueronenpocadeJulioCesare inclusomuchotiempoantes.HastafinalesdelsigloXVIIInosepudoobtener hierrocoladoyforjadoapreciosquehicierandelunmaterialestructural asequible y hubo que esperar casi otro siglo a que pudiera emplearse el acero en condiciones econmicas. Igual que ocurre en la mayora de los casos, la construccin de puentes ha evolucionadoparalelamentealanecesidadquedeellossesenta.Recibisu 1primer gran impulso en los tiempos en que Roma dominaba la mayor parte del mundo conocido. A medida que sus legiones conquistaban nuevos pases, iban levantando en su camino puentes de madera ms o menos permanentes; cuando construyeron sus calzadas pavimentadas, alzaron puentes de piedra labrada. La reddecomunicacionesdelImperioRomanollegasumar90000kmde excelentes carreteras. 1.1.2.Elementos Lospuentessedividenendospartesprincipales:lasuperestructura,o conjuntodelostramosquesalvanlosvanossituadosentrelossoportes,yla infraestructura, formada por los cimientos, los estribos y las pilas que soportan los tramos. Los estribos van situados en los extremos del puente y sostienen los terraplenesqueconducenal;avecessonremplazadosporpilareshincados quepermiteneldesplazamientodelsueloensuderredor.Laspilassonlos apoyosintermediosdelospuentesdedosomstramos;loscimientosestn formados por las rocas, terreno o pilotes que soportan el peso de estribos y pilas. Los tramos ms cortos que conducen al puente propiamente dicho se llaman de acceso y en realidad forman parte de la fbrica. El tablero est compuesto por un piso de planchas, vigas longitudinales o largueros sobre los que se apoya el piso y vigas transversales que soportan a los largueros.Enmuchospuentesloslarguerosdescansandirectamenteenlas pilas, o en los estribos. Otros modelos carecen de tales miembros y slo las vigas transversales, muy unidas, soportan al tablero. En una tercera clase de puentes el piso descansa sobre el armazn sin utilizar ni vigas ni largueros. 21.1.2.1.Infraestructura Lainfraestructuradeunpuenteconstadeelementosquepermitenel funcionamientoptimodelaestructuraentrminosdemanejo,siendolos elementos que compones la infraestructura de un puente: 1.1.2.1.1. Juntas de dilatacin. Lasjuntasdedilatacinnosonmsquelaseparacinentredos elementos contiguos. Las juntas deben ser capaces de absorber las dilataciones delassuperficiesqueseparanparaevitardeformacionesyesfuerzosenla estructura, se recomienda que las juntas se encuentres cercanas a los extremos del puente. 1.1.2.1.2. Sistemas de drenaje. Lossistemasdedrenajespermitenlacorrectaevacuacindeagua mayormente proveniente de la lluvia, evitando as que se acumule en la carpeta, haciendo esta un lugar peligroso para el trnsito vehicular. 1.1.2.1.3. Parapetos. Los parapetos son paredes o barandas que, se utilizan para evitar cadas, se coloca a los lados de un puente, siendo esta una medida de seguridad bsica en este tipo de estructuras. 1.1.2.1.4. Sealizaciones. Las seales de trfico tienen un carcter internacional y estn concebidas 3para transmitir informacin con un mnimo de palabras. La forma y el color de las seales son indicativos de su contenido. 1.1.2.2.Subestructura La subestructura es lo que permite transmitir la carga hacia el suelo, carga queestransmitidaporlasuperestructuradelpuente,algunoselementosdela subestructura son. 1.1.2.2.1. Pilas y estribos Las pilas y estribos son los apoyos del puente situados en los extremos adems de ser los apoyos estos sostienen los terraplenes que conducen hacia el puente. 1.1.2.2.2. Pilotes Lospilotessonelementosquepenetranhastaalcanzarestratosms resistentesparaconsolidarloscimientosenobrashidrulicasoterrenosmuy dbiles, trasladando las cargas (del puente) a terrenos ms profundos. 1.1.2.2.3. Zapatas Las zapatas permiten sostener la estructura de concreto armado sobre la que se apoya el pilar y cuya funcin es la de distribuir la elevada carga del pilar sobre una superficie que sea lo ms amplia posible. 41.1.2.3.Superestructura El conjunto de los tramos que salvan los vanos situados entre los soportes de un puente es conocido como superestructura, los componentes bsicos de la superestructura son: 1.1.2.3.1. Sistemas portantes o Vigas Lavigassonloselementodeconstruccindematerialdiverso (madera,hierro, concreto) que se usa para formar marcos y sostener los tramos del puente. 1.1.2.3.2. Diafragmas Los diafragmas permiten aumentar la rigidez de los largueros. Mantienen laalineacindeloslarguerosdurantelaconstruccinytiendenaequilibrarla distribucin transversal de las cargas entre los mismos. 1.1.2.3.3. Losas Este es bsicamente el piso del puente. Soporta directamente las cargas dinmicas(trfico)ypormediodelasarmadurastransmitesustensionesa estribos y pilas, que, a su vez, las hacen llegar a los cimientos, donde se disipan en la roca o terreno circundantes. 1.1.3.Primeros puentes Es probable que los primeros puentes se realizaran colocando uno o ms troncosparacruzarunarroyooatandocuerdasycablesenvallesestrechos. Este tipo de puentes todava se utiliza. Los puentes de un tramo (llamamos tramo 5a la distancia entre dos apoyos) son un desarrollo de estas formas elementales. El mtodo de colocar piedras para cruzar un ro, mejorado con troncos situados entrelaspiedrasparacomunicarlas,eselprototipodepuentedemltiples tramos. Los postes de madera clavados en el fondo del ro para servir de apoyo de troncos o vigas permitieron atravesar corrientes ms anchas y caudalosas. Estos puentes, llamados de caballete, se utilizan todava para atravesar valles y ros en los que no interfieren con la navegacin. El uso de pilas de piedra como apoyo paralostroncosomaderosfueotroavanceimportanteenlaconstruccinde puentes con vigas de madera. La utilizacin de flotadores en lugar de apoyos fijos cre el puente de pontones. Los puentes de vigas de madera han sido los ms utilizados desde la antigedad, aunque segn la tradicin se construy un puente de arco de ladrillos hacia el 1800 a.C. en Babilonia. Otros tipos de construccin, como los puentes colgantes y el cantilver, se han utilizado en la India, China y Tbet. Los puentes de pontones los utilizaban los reyes persas Daro I y Jerjes I en sus expediciones militares. Los romanos construyeron muchos puentes de caballete con madera, uno de los cuales se describe con detalle en la obra Comentarios sobre la guerra de las Galias de Julio Csar. Sin embargo, los puentes romanos que se mantienen enpiesuelensustentarseenunoomsarcosdepiedra,comoelpuentede Martorell cerca de Barcelona, en Espaa, construido hacia el 219 a.C., y el Ponte di Augusto en Rmini, Italia, del siglo I a.C. El Pont du Gard en Nimes, Francia, tiene tres niveles de arqueras que elevan el puente a 48 m sobre el ro Gard, con una longitud de 261 m; es el ejemplo mejor conservado de gran puente romano y fue construido en el siglo I a.C. La utilizacin de arcos de medio punto deriv ms tardeenladearcosapuntados.Losarcosmodernossuelenserescarzanoso conformasemielptica,yaquepermitentramosmslargossininterrumpirla navegabilidadyconalturamoderada.ElpuentesobreelroTweed(1803)en 6Kelso,Escocia,ejemplodepuentedearcosemielptica,fuediseadoporel ingeniero britnico John Rennie. Los puentes de vigas tienenlimitadalalongituddelostramosporla resistenciadelasvigas.Estalimitacinsesuperaensamblandolasvigasen tringulos. Leonardo da Vinci esboz puentes de este tipo, y el arquitecto italiano Andrea Palladio probablemente construy varios. En Suiza se construyeron dos puentes de vigas trianguladas en 1760. Sin embargo, la construccin de este tipo de puentes no se desarroll a gran escala hasta despus de 1840. 1.2.Evolucin A lo largo de la Historia se han empleado cuatro materiales bsicos para construir puentes: la madera, la piedra, el hierro y el concreto. A estos cuatro hay queaadirotrosdosquesehanempleadoconmenorfrecuencia:elladrillo, hecho de arcilla cocida; y el aluminio, que se ha utilizado excepcionalmente para construirpuentesopartesdeellos.Actualmenteseestnutilizandotambin materialescompuestos,formadosporfibrasdematerialesmuyresistentes incluidosenunamatrizderesina,perotodavaestamoslejosdequeestos materiales puedan competir en los puentes con los materiales actuales. Los dos primeros, la madera y la piedra, se pueden considerar naturales porqueseobtienendirectamentedelanaturalezayseutilizansinninguna transformacin, nicamente es necesario darles forma. Los otros dos, el hierro y el concreto, son artificiales, porque las materias primas extradas de la naturaleza requierentransformacionesmsomenoscomplejasquecambiansus propiedades fsicas. 71.2.1.Materiales Loscuatromaterialesbsicoshandadolugaravariantesyelementos compuestosque,extrapolandoelsignificadodelapalabramaterial,podemos considerarlos nuevos materiales. Losmaterialeshantenidoytienenunaimportanciadecisivaenla configuracin de las estructuras y por tanto de los puentes. Por ello, la historia de stossepuededividirendosgrandesperodos:elperododelospuentesde piedra y madera y el perodo de los puentes de hierro y concreto. Enelprimerperodoseutilizaronlosdosmaterialesquehemos considerado naturales, la piedra y la madera. Se utiliz tambin el ladrillo, pero los puentes de este material se pueden incluir como subgrupo de lo de la piedra; elladrillo,paraelconstructordepuentes,esunpequeosillarconelquese puedenhacerarcosdedovelasyuxtapuestas;portantolamorfologadelos puentes de ladrillo es la misma que la de los puentes de piedra. Afinalesdels.XIXaparecielconcreto,piedraartificial,ms concretamente un conglomerado, que permiti hacer arcos mayores que los de piedra natural. Este nuevo material dio lugar muy pronto a un nuevo sistema de hacerestructuras:elconcretoarmado,unacolaboracinentreelhierroyel concreto,quepermiteconstruirvigasdelucesconsiderablesyafinarlas dimensiones de los arcos, lo que no es posible con el concreto en masa ni con la piedra.Elconcretoarmadosepuedeconsiderarunnuevomaterial,seledaa esta palabra un sentido ms amplio que el que define el Diccionario de la Real Academia. Posteriormente,alterminarlaprimeramitaddelsigloXX,apareciel 8concreto pretensado, una forma de colaboracin ms perfecta entre el acero y el concreto, que ampli extraordinariamente las posibilidades del concreto armado. Contemporneas del concreto pretensado son las estructuras mixtas, otra forma de colaboracin del acero y el concreto, pero en este caso los dos materiales no se mezclan tan ntimamente, sino que se yuxtaponen. En1933sesustituylaplataformadelpuentedeSmithfieldsobreelro Monongahela en Pittsburgh por una estructura de vigas de aluminio para reducir su peso y mejorar su capacidad de carga. Pero en 1936 se descubrieron fisuras en las vigas de aluminio, atribuidas a problemas de fatiga. ActualmenteenlosEstadosUnidosseestvolviendoaestudiarla posibilidaddesustituirplataformasdepuentesconestructurasdealuminio,y recientemente se ha sustituido la de un puente colgante de 97 m de luz, el Corbin Bridge en el estado de Pennsylvania, que se hizo hace 60 aos. En Tennessee hayunprogramadecincoaosdeinvestigacionessobreplataformasde aluminio, porque se considera que pueden ser competitivas con las de concreto o metlicas. Los nuevos materiales que han ido apareciendo a lo largo de la historia, han dado lugar a innovaciones en los puentes, y a evoluciones de su tipologa para adaptarse a sus caractersticas. Al aparecer un nuevo material, los primeros puentesqueseconstruyenconlseproyectanconlostiposyformasdelos anteriores,quesehabanhechoconotrosmateriales.Todainnovacin tecnolgicaproducedesorientacininicial,peroalirsedesarrollandola tecnologa del nuevo material, los puentes van evolucionados hasta llegar a su madurez,yenellaseconsigueunaadecuacindemateriales,estructurasy formas. 9Cronolgicamente los puentes metlicos han ido siempre por delante de los de concreto, porque se iniciaron aproximadamente un siglo antes. Tambin han ido siempre por delante en dimensiones, es decir, en sus posibilidades para salvarlucesmayores,porqueelaceroesunmaterialconmayorresistencia especfica que el concreto. Enelmomentoactualseestnempezandoaprobarnuevosmateriales paraconstruirpuentesconmayorresistenciaespecficaqueelacero.Sonlos materiales compuestos, formados por fibras unidas con una matriz de resina, que se utilizan ya desde hace muchos aos en la industria aeroespacial, aeronutica y del automvil, pero que, por diversas razones, todava no se ha desarrollado su empleo en la construccin, aunque ya se han utilizado en algunos puentes como armaduraactiva,ysehaconstruidoalgunapasarelaconestosmateriales.La mayor resistencia especfica de los materiales compuestos har que en un futuro llegueahabermaterialescompetitivosconelaceroyelconcretoparahacer puentes,perotienequepasartiempohastaqueseresuelvantodoslos problemasqueestosmaterialesplanteanenlaconstruccindelospuentesy, sobre todo, hacerlos asequibles econmicamente. 1.2.2.Procedimiento constructivo En el proyecto de un puente, el problema fundamental que se plantea es saber cmo va a ser, es decir qu tipo de estructura va a tener, qu material se va autilizar,culesvanasersusluces,etc.Peroestecmovaaserelpuente, vienecondicionadopordiferentesfactores;elprimerodeellosesconocersu comportamiento resistente, es saber cmo va a ser su estructura. Pero adems de saber cmo va a ser el puente, es necesario saber cmo se va a hacer, es decir,elprocedimientoaseguirparallevarabuenfinsuconstruccin.Este conocer cmo se va a hacer, va adquiriendo cada vez ms importancia, a medida 10quecrecelaluzdelpuente,llegandoasercasidecisivoenlasgrandesluces. Actualmente los puentes de luces mayores que se construyen son los colgantes y atirantados, entre otras razones porque sus procedimientos de construccin son msfcilesdellevaracaboyrequierenmenosmedios,quelosdeotras estructuras. Ambos problemas, saber cmo va a ser el puente y saber cmo se va a hacer, no se pueden separar, sino que en el momento de hacer un proyecto se deberntenerencuentasimultneamente.Laimportanciadelprocesode construccin es tan grande y est tan presente en el ingeniero que, como hemos visto,muchostiposdepuentesseconocenporsuprocedimientode construccin. Dadaslasposibilidadestecnolgicasactuales,laconstruccindeun puente,salvolosmuypequeos,sedeberdividirenpartes;este fraccionamiento ser tanto mayor cuanto mayor sea la luz del puente, aunque en ello intervienen otros factores que pueden corregir este planteamiento bsico. El puentesedeberconstruirporadicindepartessucesivas,deformaqueen cada etapa de construccin se crea una estructura parcial que se debe resistir a s misma y debe permitir la construccin de la fase siguiente; o bien, se puede utilizarunaestructuraauxiliarqueresistalasdiferentespartes,hastaquela estructuraestacabada,seresistaasmisma,yentoncessepuedaretirarla estructura auxiliar. Laeconomademediosdeconstruccinseconsiguemsfcilmente cuandolasestructurasparcialessucesivasquesevancreandoalconstruirel puente,sonlosmsparecidasposiblesensumododeresistiralaestructura final,yportantolosmaterialesqueesnecesarioaadirpararesistirestos estadosintermediossernmnimosonulos.Ejemplodeunprocesode 11construccin adecuado es el de los voladizos sucesivos para construir puentes viga, porque los momentos flectores del voladizo van a ser menores que los de la estructuraterminada.Encambio,laconstruccindeunarcoporvoladizos atirantados requiere tirantes provisionales, y en general ms armadura en el arco de la que necesita el puente terminado. Esto no invalida la solucin arco respecto delasolucinviga,construidosambosporvoladizossucesivos,porqueel proceso de construccin, aunque es fundamental, no es el nico factor que define la economa del puente. 122.TIPO DE PUENTES El material con que se construyen (o se han construido) los puentes suele sermadera,fbrica,metlico,concretoarmadoyconcretopretensado, dependiendodellugar,delapoca,delcoste,....Lospuentesdemaderason ligeros,baratos,pocoresistentes,decortaduracinymuyvulnerables; actualmente slo se conciben en obras provisionales. Los puentes de fbrica, en piedra,ladrilloyconcretoenmasa,sonsiemprepuentesenarco,puesestos materiales slo resisten esfuerzos de compresin; su duracin es ilimitada, pues todava se usan puentes romanos, sin prcticamente gastos de conservacin. La imposibilidaddemecanizarsuconstruccinhacequeseandecostemuy elevado. Con los puentes de fbrica, prcticamente nicos hasta el s. XVIII, no pueden alcanzarse grandes luces, por lo que no se construyen. Estospuentespuedenserdearco,viga,tirantes,etc.;yelaceropuede presentardiversasformassegntrabajeportensin,compresinoflexin, pudiendoestarunidaslaspiezasporremachadoencalienteoporsoldadura fundamentalmente. Las pilas y estribos pueden ser de hierro o, generalmente, de concreto.Lospuentesmetlicosseprestanaatrevidasconcepcionespara puentesmvilesycolgantes.Lospuentesdeconcretoarmado,posteriores cronolgicamentealosmetlicos,sonpreferentementedearcoyviga, adaptndoseelconcretoavariadassolucionesquepermitenaprovecharun mismo elemento para varios fines. Admiten luces intermedias entre los de fbrica y los metlicos, no tienen gastos de mantenimiento y son de rpida construccin, particularmente si se utilizan elementos prefabricados. Segn la posicin del tablero, los puentes pueden ser de tablero superior, 13cuando el piso de rodadura est en la parte superior de los rganos de sostn, y detableroinferior,cuandostevasituadoentrelasarmaduras.Segnsu destino,algunospuentesrecibennombresparticulares;asviaductos,para carreteraoferrocarril,acueductos,paraconduccindeaguaypasarelas. Pequeos puentes, generalmente de madera, para peatones. Se llaman puentes fijoslosancladosdeformapermanenteenlaspilas,puentesmvileslosque puedendesplazarseenparteparadarpasoaembarcaciones,ypuentesde pontones los apoyados sobre soportes flotantes, generalmente mviles. 2.1.Tipologa 2.1.1.Atirantados. Lahistoriadelospuentesatirantadosesmuysingularydiferentealos dems tipos; todos ellos se iniciaron como puentes modernos en el s. XIX, los atirantadosseiniciaronenlasegundamitaddels.XX,concretamenteenlos aos50deestesiglo.Esteretrasoensuorigenseestrecuperandoapasos agigantados, porque su evolucin ha sido extraordinariamente rpida; el primer puente atirantado moderno es el de Strmsund en Suecia, construido en 1955, con un vano principal de 183 m de luz, el de Normanda en Francia de 856 m, ya terminado, y el de Ttara en Japn de 890 m, actualmente en construccin; en menos de 40 aos su luz mxima se va a multiplicar casi por cinco. Este carcter singular de los puentes atirantados les confiere un valor de novedad que los han convertido en el puente privilegiado del momento actual. El puente atirantado admite variaciones significativas, tanto en su 14estructuracomoensuforma;nohaymsquepasarrevistaaunaseriede puentes atirantados para ver las diferencias que hay entre ellos: a)Longitudinalmente pueden tener dos torres y ser simtricos, o una sola torre desde donde se atiranta todo el vano principal. b)Pueden tener dos planos de atirantamiento situados en los bordes del tablero, o un solo plano situado en su eje. c)Puedentenermuchostirantesmuyprximos,opocostirantesmuy separados. d)Pueden tener tirantes paralelos, radiales, o divergentes. e)Las torres se pueden iniciar en los cimientos, o se pueden iniciar a partir del tablero, de forma que el conjunto tablero-torres-tirantes se apoya sobre pilas convencionales. Figura 1. Puente atirantado 152.1.1.1.Cantilver Tienen especial aplicacin en tramos muy largos. Reciben su nombre de losbrazosvoladizos(cantilver)queseproyectandesdelaspilas.Losbrazos voladizostambinpuedenproyectarsehacialasorillasparasustentarlos extremosdedostramossuspendidos.Esposiblerealizarcombinaciones variadascomolasqueincorporaelpuentedelForth,yaquepuedenutilizarse todos los sistemas de armaduras a excepcin de la Howe. El principio del puente cantilverpuedeaplicarsefcilmentealospuentesdearmaduradeaceroy tablerosuperior.Existenviaductosdeconcretoarmadoodevigasarmadas metlicas en cantilver; puentes de armadura de hierro que combinan el principio cantilver con el arco para formar el sistema conocido con el nombre de puente dearcocantilver.Elarcopuedeestararticuladoenlaspilas;entalcasose asemeja a un puente de doble articulacin. El puente de Firth of Forth construido por John Fowler y Benjamn Baker entre los aos 1881 y 1890 sobre el estuario del Forth cerca de Edimburgo inicia la estirpe de puentes complejos con ms de un vano principal. Estapatenteconsisteenintroducirarticulacionesenunavigacontinua parahacerlaisosttica,deformaqueseconvierteenunaseriedevigas simplementeapoyadasprolongadasensusextremospormnsulasenvanos alternosqueseenlazanentresporvigasapoyadasenlosextremosdelas mnsulas.Conestesistemasetienenlasventajasdelavigacontinuaydela estructuraisosttica:delavigacontinua,porquelaleydemomentosflectores tiene signos alternos en apoyos y centros de vanos igual que en ella, y por tanto susvaloresmximossonmenoresqueenlavigaapoyada;delaestructura isosttica , porque sus esfuerzos no se ven afectados por las deformaciones del terreno donde se apoyan, condicin fundamental, y en ocasiones determinante, 16cuando el terreno de cimentacin no es bueno. La viga Gerber tiene otras ventajas sobre la viga continua: a)Enprimerlugar,sepuedenfijarlosapoyosprincipalesyhacermvileslas articulaciones,acumulandoenellaslasdeformacionesportemperaturadela estructura. b) En segundo lugar, y sta era probablemente una de las principales cuando se empezaron a utilizar, la determinacin analtica de las leyes de esfuerzos en ellas es ms fcil que en las vigas continuas, a causa precisamente de su isostatismo. Su principal inconveniente son las articulaciones que hay que crear en ella. Esta estructura se utiliz con frecuencia en los puentes de madera orientales, en China, los pases del Himalaya, y en Japn. Figura 2. Puente cantilver. 2.1.1.2.Colgantes En los puente colgantes, la estructura resistente bsica est formada por los cables principales, que se fijan en los extremos del vano a salvar, y tienen la flechanecesariaparasoportarmedianteunmecanismodetensinpura,las cargas que actan sobre l. 17Elpuentecolgantemselementaleselpuentecatenaria,dondelos propioscablesprincipalessirvendeplataformadepaso.Paradjicamente,la granvirtudyelgrandefectodelospuentescolgantessedebenaunamisma cualidad: su ligereza. La ligereza de los puentes colgantes, los hace ms sensibles que ningn otrotipoalaumentodelascargasdetrficoquecirculanporl,porquesu relacin peso propio/carga de trfico es mnima; es el polo opuesto del puente de piedra. Actualmentelospuentescolgantesseutilizancasiexclusivamentepara grandes luces; por ello, salvo raras excepciones, todos tienen tablero metlico. El puente colgante es, igual que el arco, una estructura que resiste gracias a su forma;enestecasosalvaunadeterminadaluzmedianteunmecanismo resistentequefuncionaexclusivamenteatensin,evitandograciasasu flexibilidad, que aparezcan flexiones en l. El cable: es un elemento flexible, lo que quiere decir que no tiene rigidez y portantonoresisteflexiones.Siseleaplicaunsistemadefuerzas,tomarla forma necesaria para que en l slo se produzcan esfuerzos axiles de tensin; sinestonofueraposiblenoresistira.Portanto,laformadelcablecoincidir forzosamenteconlalneageneradaporlatrayectoriadeunadelasposibles composicionesdelsistemadefuerzasqueactansobrel.Estalneaesel funicular del sistema de cargas, que se define precisamente como la forma que toma un hilo flexible cuando se aplica sobre l un sistema de fuerzas. La curva del cable de un puente colgante es una combinacin de la catenaria, porque el cableprincipalpesa,ydelaparbola,porquetambinpesaeltablero;sin embargo la diferencia entre ambas curvas es mnima, y por ello en los clculos generalmente se ha utilizado la parbola de segundo grado. 18Elcableprincipaleselelementobsicodelaestructuraresistentedel puente Colgante: Su montaje debe salvar el vano entre las dos torres y para ello hay que tenderlo en el vaco. Esta fase es la ms complicada de la construccin de los puentes colgantes. Inicialmente se montan unos cables auxiliares, que son losprimerosquedebensalvarlaluzdelpuenteyllegardecontrapesoa contrapeso. La mayora de los grandes puentes colgantes estn situados sobre zonasnavegables,yporellopermitepasarloscablesincialesconun remolcador; pero esto no es siempre posible. Como el sistema de cargas de los puentes es variable porque lo son las cargasdetrfico,lospuentescolgantesensuesquemaelementalsonmuy deformables.Esteesquemaelementalconsisteenelcableprincipal,las pndolas, y un tablero sin rigidez, o lo que es lo mismo, con articulaciones en los puntos de unin con las pndolas. En la mayora de los puentes colgantes, las pndolas que soportan el tablero son verticales. Elesquemaclsicodelospuentescolgantesadmitepocasvariaciones; losgrandessehanhechosiempreconuncableprincipalencadabordedel tablero Las torres: han sido siempre los elementos ms difciles de proyectar de los puentes colgantes, porque son los que permiten mayor libertad. Por eso en ellas se han dado toda clase de variantes. En los aos 20 fueron adquiriendo ya una forma propia, no heredada, adecuada a su funcin y a su material; la mayora tienendospilaresconseccincajndealmallena,unidosporriostras horizontales, o cruces de San Andrs. Enlosltimospuentescolganteseuropeosconstruidoscontorres metlicas,sehautilizadounnuevosistemadeempalmedelaschapasque 19forman los pilares verticales. En vez de utilizar uniones roblonadas o atornilladas mediantesolapedechapas,comosehizoenlospuentesamericanos,las unionessehacenatope,rectificandomediantefresadoelcontactodelos distintos mdulos que se van superponiendo, de forma que las compresiones se transmiten directamente de chapa a chapa; la unin entre ellas se hace mediante soldadura parcial de la junta. As se han hecho las torres del puente Severn en Inglaterra y de los puentes del Bsforo en Estambul. Figura 3. Puente colgante. 2.1.1.3.Estructura Metlica El empleo del hierro signific una transformacin radical en la construccin en general, y en los puentes en particular; sus posibilidades eran mucho mayores quelasdelosmaterialesconocidoshastaentonces,yporelloseprodujoun desarrollomuyrpidodelasestructurasmetlicas,queprontosuperaronen dimensiones a todas las construidas anteriormente. Hoy en da sigue siendo el material de las grandes obras, y en especial de los grandes puentes, si bien el hierro que se utiliza ahora no es el mismo que se utiliz en los orgenes, porque el material tambin ha evolucionado significativamente; hay diferencia considerable de caractersticas y de calidad entre los aceros actuales, y el hierro fundido que se utiliz en un principio. 20Coalbrookdale marc el principio de una nueva era en los puentes, que di lugarasuespectaculardesarrolloenelsigloXIX.Entrelaconstruccindel puentedeCoalbrookdale,unarcodemediopuntode30mdeluz,conuna estructura poco clara, y la construccin del puente de Firth of Forth, un puente cantilverparaferrocarrilcondosvanosde521mdeluz,terminadoen1890, transcurrieron exactamente 111 aos. El rpido desarrollo a principios del s. XIX de los puentes metlicos se debi bsicamente a dos causas fundamentales: a) En primer lugar, el nuevo material tena muchas ms posibilidades que los anteriores, porque su capacidad resistente era mucho ms alta. b) En segundo lugar, se empez a conocer con cierto rigor el comportamiento resistente de las estructuras, lo que permiti, a la hora de proyectar un puente, dimensionar sus distintos elementos cuantificando su grado de seguridad, y con ello ajustar al mximo sus dimensiones. Los materiales derivados del hierro que se han utilizado sucesivamente en la construccin han sido, la fundicin, el hierro forjado y el acero. Figura 4 Puente de estructura metlica 212.1.1.4.Vigas Puentes de vigas. Consisten en varios de estos rganos, que, colocados paralelamente unos a otros con separaciones de 1,2 a 1,5 m, salvan la distancia entre estribos o pilas y soportan el tablero. Cuando son ferroviarios, disponen de vigas de madera o acero y sus pisos pueden ser abiertos o estar cubiertos con balastooplacasdeconcretoarmado.Losdestinadosaservireltrficode vehculossondeacero,concretoarmadoopretensadoomadera.Lasvigas metlicas pueden ser de seccin en "I" o de ala ancha; los caballetes de madera forman vanos con vigas o largueros que descansan en pilas de pilotes del mismo material o en pilotes jabalconados. Los puentes de vigas de concreto armado o deaceropuedensalvartramosde20a25m;paradistanciassuperioresse utilizanmuchoelaceroyelconcretopretensadoy,cuandolalongitudes considerable, las vigas son compuestas. Se han construido algunos puentes con vigas de concreto pretensado, de seccin en "I", que salvan tramos de hasta 48 metros. Puentesdevigasarmadas.Constandedosdeestoselementosque soportan el piso. Si el tablero est apoyado cerca de las pestaas inferiores de las vigas y el trfico pasa por entre ellas, el puente se llama va inferior; si, por el contrario,loestenlapartesuperior,sedenominadepasoalto.Cuandoel puentesirveaunacarretera,espreferibleelsegundotipo,quepuedeser ensanchado para acomodarlo a posibles aumentos de trfico. Las vigas armadas metlicas son de seccin "I" y van reforzadas por remaches. Los puentes de esta clasepuedenserdeunsolotramoocontinuos.Losprimeroslleganacubrir tramos de hasta 40 m. Algunas veces tambin reciben el nombre de puentes de vigas armadas los de gran longitud cuyas vigas tienen secciones compuestas. 22Puentes continuos. Pueden ser de viga de celosa, de vigas de acero de almallena,devigasoviguetasdeconcretoarmadoodevigasoviguetasde concreto pretensado. Los puentes continuos de viga de celosa suelen ser de dos otrestramos,perolosdevigaarmadapuedensalvarininterrumpidamente muchostramos.Losrefuerzoscontralacargatensildelasvigascontinuasde concreto armado deben colocarse cerca de la parte superior de las mismas, en el reasituadasobrelossoportes,puesallesdondeseproducenlosesfuerzos citados. Las vigas y viguetas de los puentes continuos de concreto pretensado tienen seccin en "I" o tubular. El puente continuo de tres tramos, con arco anclado en el central, modelo relativamente reciente y de estructura siempre simtrica, es muy estimado para salvargrandesdistancias.Apartedesuvalorestticoseleconsideramuy adecuado para las estructuras cantilver. El puente continuo ms largo es el de Dubuque (Norteamrica, estado de Iowa) sobre el ro Mississippi, con un tramo central de 258 m de longitud. Figura 5. Puente de vigas 2.2.Materiales A lo largo de la historia se han empleado cuatro materiales bsicos para construir puentes: la madera, la piedra, el hierro y el concreto. A estos cuatro hay queaadirotrosdosquesehanempleadoconmenorfrecuencia:elladrillo, hecho de arcilla cocida; y el aluminio, que se ha utilizado excepcionalmente para 23construirpuentesopartesdeellos.Actualmenteseestnutilizandotambin materialescompuestos,formadosporfibrasdematerialesmuyresistentes incluidosenunamatrizderesina,perotodavaestamoslejosdequeestos materiales puedan competir en los puentes con los materiales actuales. 2.2.1.Concreto El concreto armado es una colaboracin del acero y el concreto, adecuado especialmente para resistir esfuerzos deflexin. El concreto es muy adecuado para resistir compresiones y el acero en barras para resistir tracciones. Por ello las barras de acero se introducen en la pieza de concreto, en el borde que debe resistirlastracciones,ygraciasalaadherenciaentrelosdosmateriales,las primeras resisten las tracciones y el segundo las compresiones. Durante muchos aos las barras de acero eran lisas, pero gracias a una serie de ensayos, se comprob que la adherencia entre el acero y el concreto, uno de los mecanismos bsicos para que el concreto armado funcione, mejoraba significativamentehaciendolasbarrascorrugadas,esdecir,conresaltos transversales, y as son las barras actuales. Elconcretoarmadoapareciafinalesdels.XIX ysedesarrolla principios del XX, despus de varias tentativas. El primer puente de concreto armado, la pasarela de Chazelet, se construy en 1875,conunaluzde16,5my4mdeanchoporJosephMonier,jardinerode Pars. ElconcretoarmadoseextendirpidamenteportodaEuropa;aello contribuyelarcodeexhibicinconstruidoenlaexposicinuniversalde Dsseldorf de 1880, que sirvi para dar a conocer este nuevo material. 24Seimponendossolucionesclsicas:losdevigasdealmallena,que podan ser vigas en T unidas por la losa superior, o vigas de cajn para las luces mayores;ylosarcos,solucinidneaparaelconcreto,queesunmaterial adecuado para resistir compresiones. Conconcretoarmadosellegaronahacerpuentesvigadegranluz;el mayor es el de Ivry sobre el Sena, una pasarela triangulada de 134,5 m de luz, construida en 1930; uno de los mayores fue el puente de Villeneuve-St. Georges tambin sobre el Sena cerca de Pars, una viga continua de alma llena con luz mxima de 78 m, terminado en 1939. DespusdelaSegundaGuerraMundialseconstruyeronpuentede concreto armado, algunos de ellos de luz grande, pero rpidamente se impuso el concreto pretensado y los puentes de concreto armado han quedado reducidos a las losas de pequea luz. 2.2.1.1.Pre-tensado. Freyssinet, adems de contribuir al desarrollo del concreto armado, fue el iniciadordelconcretopretensadoporque,graciasasuextraordinarioesfuerzo personal, consigui desarrollar una nueva tcnica casi desde cero, hasta hacerla aplicable en cualquier obra donde fuera adecuada. Elconcretopretensadosepuedeconsiderarunnuevomaterial;su diferencia con el concreto armado es que en ste la armadura es pasiva, es decir, entra en carga cuando las acciones exteriores actan sobre la estructura; en el pretensado, en cambio, la armadura es activa, es decir se tasa previamente a la actuacin de las cargas que va a recibir la estructura (peso propio, carga muerta ycargasdetrfico),comprimiendoelconcreto,deformaquenuncatenga traccionesoquestastenganunvalorreducido.Laestructuraseponeen 25tensin previamente a la actuacin de las cargas que van a gravitar sobre ella, y deahsunombredeconcretopretensado.Endefinitiva,esadelantarsealas acciones que van a actuar sobre la estructura con unas contra-acciones que es el momento en que se tensan las armaduras; se pueden tensar antes de fundida la pieza,esdecir,pretensarlas,oselespuededarcargadespusdefundidala pieza, es decir, postensarlas. Conelconcretopretensadoseevitalafisuracinqueseproduceenel concretoarmadoyporello,sepuedenutilizaracerosdemayorresistencia, inadmisibles en el concreto armado porque se producira una fisuracin excesiva. Lossistemasdeanclajedelasarmadurasactivasseagrupanenvarios procedimientos bsicos que han tenido diversas variantes: a) Anclajes mediante cuas de diferentes tipos. b) anclajes mediante rosca. c) Anclajes mediante cabezas recalcadas. d) Anclajes mediante bloques de concreto. e) Anclajes mediante apriete transversal. Elconcretopretensadonohahechodesaparecerelconcretoarmado; cadaunotienesucampodeaplicacin.Aliniciarseelconcretopretensadose trat de sustituir toda la armadura pasiva por activa; por ello los primeros puentes sepretensabanlongitudinalytransversalmente.Peroprontocadamaterial encontr su sitio; la armadura activa se debe emplear para resistir los esfuerzos principales y la pasiva los secundarios. Incluso puentes losa con luces de hasta 20msepuedenhacerexclusivamenteconarmadurapasiva,aunquehayque tenerencuentalafisuracin,porquemuchasveces,aunsiendoadmisible,es excesivamente visible. 26A los ingenieros franceses se debe el descubrimiento del concreto armado ydelpretensado,yaellosyalosalemanessedebeeldesarrollodesu tecnologa,aunqueenstehahabidoaportacionesdeingenierosdemuchos pases. El puente de Bendorf sobre el Rin; el de Castejn de 101 m de luz de 1967; el puente de Dornaz sobre el Rdano, Suiza, de 45 m de luz central, 1933; el puentedeEsbly,74mdeluz,1951sobreelroMarne;etc.sonejemplosde puentes de concreto pretensado. 2.2.2Acero El empleo del hierro signific una transformacin radical en la construccin en general, y en los puentes en particular; sus posibilidades eran mucho mayores quelasdelosmaterialesconocidoshastaentonces,yporelloseprodujoun desarrollomuyrpidodelasestructurasmetlicas,queprontosuperaronen dimensiones a todas las construidas anteriormente. Hoy en da sigue siendo el material de las grandes obras, y en especial de los grandes puentes, si bien el hierro que se utiliza ahora no es el mismo que se utiliz en los orgenes, porque el material tambin ha evolucionado significativamente; hay diferencia considerable de caractersticas y de calidad entre los aceros actuales, y el hierro fundido que se utiliz en un principio. Puentes de fundicin Los primeros puentes metlicos se hicieron de hierro fundido; la mayora tienen estructuras poco claras, heredadas de los de piedra y de madera. En el puentedeCoalbrookdalesobreelroSevern,elprimerodelospuentes metlicos,construidoen1779,sealigeraronlostmpanosmedianteanillos concntricos como se haba hecho en muchos puentes de madera. El puente de Buildwas, tambin sobre el Severn, construido en 1796, Thomas Telford, uno de 27los ingenieros que ms contribuy al desarrollo de los puentes metlicos, se bas en los puentes de madera de los hermanos Grubenmann; igual que el puente de Coalbrookdale, se fabric en la fundicin de Abraham Darby III. De hierro fundido son todos los puentes arco de Thomas Telford y de John Rennie, que en 1819 construy en Londres el puente de Southwark sobre el Tmesis, con tres arcos de 64+73+64 m de luz, el mayor de todos los puentes de hierro fundido que se han construido en el mundo. Puentes de hierro forjado El hierro forjado es un hierro tratado a base de golpeo para aumentar su resistenciaymejorarsuregularidad.Actualmenteselaminanencaliente fabricando chapas y perfiles metlicos, elementos que han conformado en gran medida las estructuras metlicas. Losprimerospuentesgrandesqueseconstruyeronconhierroforjado fueron el de Conway, y el Britannia en los estrechos de Menai, dos puentes en vigacajndegrandesdimensionesparaferrocarril,hechosporRobert Stephenson,hijodelinventordelamquinadevapor.Enestasvigaseltren circulaba por su interior. El primero se termin en 1849; es una viga simplemente apoyada de 125 m de luz. El segundo es una viga continua con cuatro vanos de 70+2+142+70 m de luz, terminado en 1850. Estos puentes han sido unos de los ms innovadores de la historia porque, adems de emplear el hierro forjado por primeravezenunagranobra,fueronlosprimerospuentesvigadegrandes dimensiones que se han construido, y tambin las primeras vigas cajn, es decir, vigasconseccinrectangularotrapecialcuyoscontornosestnformadospor paredes delgadas. 28Puentes de acero Afinalesdels.XIX,cienaosdespusdelainiciacindelospuentes metlicos, se empez a utilizar el acero para construir puentes. Conseguir que los materiales de construccin sean dctiles y no frgiles, es uno de los logros importantes de su tecnologa. Elaceroseconocamuchoantesdequeseempezaraafabricar industrialmente a finales del s. XIX, y de hecho se haba utilizado en algn puente aislado; ejemplo de ello son las cadenas del puente colgante sobre el Canal del Danubio en Viena, de 95 m de luz, terminado en 1828. Peroeraunmaterialcarohastaqueen1856elinglsHenryBessemer patentunprocesoparahaceracerobaratoyencantidadesindustriales, mediante un convertidor donde se insuflaba aire en el hierro fundido que reduca las impurezas y el contenido de carbono . El primer gran puente cuya estructura principal es de acero es el de San Luis sobre el ro Mississippi en los Estados Unidos, proyecto de James B. Eads en 1874, con tres arcos de 152+157+152 m de luz. Losdosgrandespuentesdefinalesdels.XIXfuerontambindelos primeros que se hicieron con acero: el puente de Brooklyn y el puente de Firth of Forth. Desde finales de s. XIX el acero se impuso como material de construccin sobre el hierro, y por ello, a partir de entonces, todos los puentes se han hecho de acero. 292.2.3Madera Lamaderaeselmaterialqueutilizelhombreparahacersusprimeras construcciones; un tronco de rbol sobre un ro fue seguramente el primer puente artificial. Los puentes de madera son ms fciles y ms rpidos de construir que los de piedra, y han resultado siempre ms econmicos; por ello, los primeros que construyelhombrefuerondemadera,yalolargodelahistoriasehan construido innumerables puentes de este material, muchos ms que de piedra. Los puentes de madera han planteado siempre problemas de durabilidad y por ello se han considerado siempre de una categora inferior que los de piedra; generalmenteseleshadadocarcter deobraprovisional;seaspirabaa sustituirlos por uno de piedra en cuanto hubiera dinero para ello. Los tres problemas bsicos de durabilidad de los puentes de madera son los siguientes: a) En primer lugar, el propio material que se deteriora con el paso del tiempo si no se cuida especialmente. b)Ensegundolugar,suvulnerabilidadalefectodelasavenidasdelosros. Cadaavenidaextraordinariasellevabamuchospuentesdemadera,yporello siemprehahabidounaclaraconscienciadesudebilidadfrentealasacciones destructivas del propio ro. Los puentes de madera fueron los primeros que se utilizaron, aunque de ellos,comodetodaslasprimerasconstruccionesdeestematerial,noqueda rastro.Untroncosobreelrosepuedeconsiderarunpuentefronteraentrelo natural y lo artificial. En unos casos puede ser natural, porque un rbol, al caerse, 30puede quedar sobre el ro; en otros los tendi el hombre para poder pasar sobre l, lo que probablemente aprendi al ver los que haba tendido la naturaleza. Deltroncoaislado,sepasaltablerodevariostroncosadosados;esel puente de vigas simplemente apoyadas. Posteriormente se hicieron prticos de jabalcones,arcosdemadera,yvigastrianguladas.Hoyendasesiguen construyendo pasarelas de madera, aunque solamente en casos excepcionales, porqueresultanmscarasquelasmetlicasolasdeconcretoquesonlos materialesqueseutilizannormalmentehoyendaparahacerpuentes.Delos puentes histricos de madera quedan muy pocos en pie; salvo en determinadas regiones,comopuedenserlosAlpes,seconsiderabandesegundaclase.El puenteporexcelenciaeraeldepiedra;eldemaderahasidosiempre muy vulnerable a causa de los incendios, de su degradacin y de las avenidas de los ros. Sin embargo, hasta muy avanzado el siglo XIX que se impusieron los puentes metlicos, la mayora de los puentes eran de madera. Muchos de ellos se construan con idea de provisionalidad, se trataba de sustituirlos por puentes de piedra en cuanto era posible. El puenteEmilio sobre el Tber en Roma, fue primero de madera y luego de piedra. Figura 6. Puente de madera. 312.3Por su uso Los puentes as como otros tipos de estructuras tienen distintos tipos de uso para los cuales son destinados entre los usos ms comunes podemos encontrar. 2.3.1Vehicular Son las estructuras que se construyen con el propsito de unir dos caminos por el cual transitarn vehculos automotores. 2.3.2Peatonal Estos fueron sin duda los primeros usos que el ser humano le dio a los puentes, la necesidad de saltear obstculos, hizo que el hombre primitivo ideara el puente de uso peatonal. 2.3.3Artesanal En algunas culturas los puentes se utilizaron para esa forma artstica o artesanal, siendo en Roma donde los acueductos eran conducidos por medio de tuberas, las cuales atravesaban claros donde los romanos construyeron puentes para este propsito. 323.METODOLOGA DE DISEO SEGN AGIES Y ASSTHO 3.1 Criterios y lineamientos AGIES. 3.1.1Diseo de la superestructura 3.1.1.1Diseo de la losa 3.1.1.1.1Carga muerta Lascargasmuertascomprendentodaslascargasdeelementos permanentes de la construccin. Incluye el peso de la estructura, del pavimento, banquetas, barandas, y otras posibles instalaciones fijadas permanentemente a la estructura. 3.1.1.1.2Espesor de losa. No se hace recomendacin al respecto de este elemento en la norma. 3.1.1.2Clculo de momentos. 3.1.1.2.1Momento debido a carga muerta. No se hace recomendacin al respecto del clculo de esta fuerza en la norma. 3.1.1.2.2Momento producido por carga viva. No se hace recomendacin al respecto del clculo de esta fuerza en la norma. 333.1.1.2.3Momento producido por carga de impacto. Enelinciso2.2.9delanormaNR-5sehacereferenciaalrespectodel clculodemomentodebidoalimpacto,siendolaformularecomendadala siguiente. I = 1S(I + S8) u.Su En donde I= carga debido al impacto L= separacin entre las vigas en metros. Este ser el incremento en porcentaje que se le aplicara a la carga viva. 3.1.1.3Clculo del acero de refuerzo. Elclculodelrefuerzolongitudinalytransversalserealizaconlos procedimientosyaestablecidosporelACIaligualquesetomanencuenta recomendaciones especiales dadas por la AASHTO. 3.1.1.4Diseo de vigas y diafragmas Elpredimensionamientoparalasvigastantoprincipalescomo secundarias se realiza tomando en cuenta los factores aplicados para la omisin de chequeos por deflexin de los elementos, comnmente utilizados en el clculo estructural. 343.1.1.4.1Clculodelmomentosdebidoasobrecarga, fraccindecarga,cargaporeje,cargamuertay carga de impacto No se hace recomendacin al respecto del clculo de estas fuerzas en la norma. 3.1.1.4.2Clculo del momento total No se hace recomendacin al respecto del clculo de estas fuerzas en la norma. 3.1.1.4.3Clculo del acero de refuerzo Elclculodelrefuerzolongitudinalyrefuerzoacorteserealizaconlos procedimientosyaestablecidosporelACIaligualquesetomanencuenta recomendaciones especiales dadas por la AASHTO. 3.1.2Diseo de la subestructura LanormaNR-5ensucaptuloterceroconsideraclculodemurosde contencin por gravedad, pero no toma en cuenta las cargas que actan en un puente como lo son, cargas de impacto, cargas de sismo, etc. 3.1.3Diseo de estribo Se toman en cuenta los factores de seguridad, recomendados por AGIES en su captulo 3. Volteo< 1.5 Deslizamiento u.Su Se utilizar I=0.30 El momento ltimo se calcular aplicando la frmula siguiente: Hu = 1.S(Hcm +SS (Hc: - I)) Hu = 1.S(S24.9u +SS (67S.81x1.Su) ) = 2S2S.9ukg - m Ya con el momento de diseo se procede a calcular el refuerzo necesario para soportar el momento ltimo. 4.1.6.3Clculo del acero de refuerzo. Utilizando la frmula cuadrtica con los siguientes datos se obtiene el area de acero (As). (As^2 fy^2)1.7xfcxb - AsxyxJ + Hu = u Con los siguientes datos. 55=0.9 por flexin Mu=2S2S.9ukg - m d=16.85 cm b=100 cm fc=281 kg/cm2 fy=2810 kg/cm2 (As^2 (281u)^2)(1.7x(281)x(1uu)) - Asx(281u)x(16.8S)+ 2S2S9uu.9u = u As = S.S6 cm2 Hallando los valores de As min y Asmax, se verifica si el As calculado, est dentro del rango establecido por ACI. As min = pmin - b - tu.u pmin = 14.1y = 14.1281u = uSAs min = 1 u 1 cm^2u.uuS - u - 6.8S = 8.4S p As mox = u.S - bol - b - t As mox = u.S - u.uS7 - 1uu - 16.8S = S1.17cm^2 Como el As uo = (Hc - H:)w En donde: Mv=Momento de volteo Me=Momento Estabilizante W=Peso propio de la estructura E=Empuje A=rea de la base E=Excentricidad b=base Revisin por Volteo Ioltco = HcH: = 116871.96S811u.176 = S.u6 > 1.Su Cbcquco Revisin por deslizamiento 75cslizomicnto = (w - )E = (44796 - .S)1SS1S.84 = 1.6S > 1.SuCbcquco Revisin por Presiones Prcsioncs = wA |1 _ (6 cb) ]= 447964.S4 |1 _ (6 (4.S42 - (116871.96- S811u.176)44796)4.S4) ] Prcsioncs 1 = 16197.4u Kgm2 < 2Suuukgm2 Cbcquco Prcsioncs 2 = 444S.91 kgm2 > u Cbcquco Con las condiciones que se plantean se toma el diseo como satisfactorio, porque todas las condiciones han pasado satisfactoriamente. 4.1.9.4Revisin del muro con superestructura y carga viva El estribo se chequear aplicando la carga muerta y la carga viva: estas cargas son las utilizadas para calcular las vigas de apoyo. Iu = 1uuSS7 Kg Cu = 1uuSS7Kg4.S4m = 2Su497kgm El punto de aplicacin de esta cargaesta a 2.25 al centro de la viga de apoyo. 76Multiplicando el corte ltimo por el brazo da como resultado el momento, este momento se suma al momento estabilizante del muro. Hct = 1689uu.S6kgm Prcsioncs = wA |1 _ (6 cb) ]= 67919.7S4.S4 |1 _(6 (4.S42 - (1689uu.SS- S811u.176)46767919.7S)4.S4) ] Prcsioncs1 = 2u9S6.17kgm2 < 2Suuukgm2cbcqucoPrcsioncs2 = 1uS6S.2S kgm2 cbcquco Con estas consideraciones se da por satisfactorio el diseo del estribo, ya que cumple con los chequeos de estabilidad con y sin la superestructura. 77 78CONCLUSIONES 1.Lospuenteshanexistidodesdeelprincipiodelahumanidaddesdeel momento en que el hombre ideo la forma para poder sortear obstculos, hasta ahora en que son una parte importante en la infraestructura de todo pas. 2.Lospuenteshanevolucionadoalolargodelahistoria,tantoensu tipologaascomoenlosmtodosconstructivosempleadosparala realizacindeestos,ademsdeestolosmaterialesconqueson construidoshanevolucionadopermitiendoconstruirpuentescadavez ms altos y largos. 3.El diseo y construccin de puentes es un rengln del rea de la ingeniera queabarcaelmanejo,estudioycontroldediferentesramasquela componen, tales como, la topografa, hidrulica, hidrologa, mecnica de suelos,materialesdeconstruccin,lascualesdebensertomadasen cuenta para la realizacin de un diseo satisfactorio. 4.Al utilizar otros cdigos o recomendaciones originados en pases con altas sismicidadescomoladeGuatemala,seprocedeaclasificarzonascon sismicidad que se supone son equivalentes a la nuestra. Esta suposicin noesnecesariamentecorrecta,yaqueexistenvariacionescomola magnituddelossismos,ladistanciadefallaquegeneraelsismo,las condiciones del lugar as como la variabilidad de las fuentes ssmicas, que nosonlasmismasparaGuatemala.AGIESpresentaunmapade Guatemaladondeidentificalaszonasdemayorymenorriesgoylas 79aceleracionesmximasdesuelo,locualdacondicioneslocalesms reales. 5.Se han podido determinar las reas del diseo de puentes en las cuales se necesita investigar para poder obtener expresiones que represente en la forma ms precisa las condiciones existentes en Guatemala. 6.El diseo y anlisis de puentes en Guatemala se encuentra en una fase auninvestigativa,yesnecesarioqueseprofundicemasenestecampo paracompletarelcdigodediseossmicoqueinvolucraelclculode estas estructuras. 7.LosfactoresdediseoquerecomiendalanormaASSTHOesenparte conservadora para el rea de Guatemala, ya que castiga en gran medida la carga viva y de impacto, en el cual se puede determinar factores ms adecuados para el tipo de condiciones con que cuenta el pas. 80RECOMENDACIONES 1.TomarencuentalasrecomendacionesdadasporlasnormasASSTHO, para el anlisis y diseo de puentes, siempre y cuando las normas AGIES no lo considere. 2.Utilizar las normas AGIES, ya que limitan los anlisis para una localidad especfica del pas, lo cual da resultados ms precisos, en consecuencia el diseo ser mucho mejor que si se utilizaran normas extranjeras. 3.Realizarlosestudiosnecesariosparapoderdeterminar,losfactoresde carga necesarios para el diseo de elementos que integran un puente, que se acoplen a las condiciones del suelo existente en Guatemala. 81 82BIBLIOGRAFA 1.NormasdelaAssociationofStateHighwayandTransportationOfficial (AASHTO),EspecificacionesutilizandolametodologadelDiseopor Factores de Carga y Resistencia (LRFD), Edicin 2004. 2.Ministerio de Comunicaciones Infraestructura y Vivienda. Especificaciones generalesparaconstruccindecarreteras y puente, Guatemala: edicin 2002. 3.AsociacinGuatemaltecadeIngenieraEstructuralySsmica.Bases generalesdediseoyconstruccin.(ColeccinNR-1)Guatemala:s.e., 2002. 7pp. 4.Asociacin Guatemalteca de Ingeniera Estructural y Ssmica. Demandas estructurales,condicionesdesitioynivelesdeproteccin.(Coleccin NR-2) Guatemala: s.e., 2002. 33pp. 5.AsociacinGuatemaltecadeIngenieraEstructuralySsmica.Diseo estructuraldeedificaciones.(ColeccinNR-3)Guatemala:s.e.,2002. 70pp. 6.Asociacin Guatemalteca de Ingeniera Estructural y Ssmica. Requisitos paradiseodeobrasdeinfraestructurayobrasespeciales.(Coleccin NR-5) Guatemala: s.e., 2002. 94pp. 837.Normas de la American Concrete Institute (ACI), Especificaciones para el diseo de elementos de concreto estructural, Edicin 2002. 84 APNDICE 85 86 88 9092