Caracteristicas+de+Los+Puentes+Atirantados

www.issuu.com/rdsantos28/docs Trabajo de síntesis sobre tipología de puentes, para el estudio, no para el plagio.

República Bolivariana de Venezuela Ministerio para el Poder Popular de la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Bolivariana Núcleo Caracas Sede Chuao Ing. Civil 9no Semestre Sección 01 PUENTES

INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS, Y EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL DE LOS PUENTES ATIRANTADOS.

Santos Rafael 19203459 Caracas, 30/05/2011

www.issuu.com/rdsantos28/docs Para la investigación y la publicación de libros y artículos de ingeniería


INTRODUCCION

El diseño y construcción de los puentes atirantados, como cualquier proyecto de ingeniería civil, se basa en principios físicos y matemáticos, aplicados a casos reales, para solucionar problemas, en el caso de los puentes, salvar grandes, luces, y atravesar ríos, lagos, cruzar montañas; pero mucho más allá de la puesta en práctica de algún conocimiento, está el ensayo y error, de donde surgen nuevas ideas y propuestas técnicas, así como la aparición y la evolución de nuevos criterios de diseño, así desde los históricos puentes de arco del imperio romano, se ha ido evolucionando en la construcción de puentes, conjuntamente con los conocimientos científicos del comportamiento de los materiales, y el descubrimiento de nuevos procesos para la obtención de aceros, así surgieron los de viga, los puentes de pórtico, puentes colgantes, y más tarde se empezaron a dar a conocer los puentes atirantados, muy novedosos, económicos, y prácticos, dados más bien como una evolución de los puentes colgantes, pues fueron gran alternativa en el ahorro de acero.

Presentamos aquí una breve investigación meramente teórica, sobre los puentes atirantados, sus características, y comportamiento, con algunos ejemplos que se consideraron importantes, por lo novedoso de sus diseños, desde el punto de vista ingenieril, también se presentan una lista de los puentes atirantados más largos del mundo; no obstante en esta investigación, no nos extendemos hacia la parte matemática de la modelación de puentes.



PUENTES ATIRANTADOS

Los puentes atirantados son básicamente un desarrollo estructural para salvar

grandes luces de manera práctica, ingeniosa, y económica, estructuralmente un puente atirantado es aquel cuyo tablero está suspendido de uno o varios pilones centrales mediante cables o tirantes. Se distingue de los puentes colgantes porque en éstos los cables principales se disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables secundarios verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente a tracción, y los atirantados tienen partes que trabajan a tracción y otras a compresión. Los puentes atirantados comenzaron su desarrollo a mitad del siglo XX

y desde entonces han

evolucionado rápidamente, debido a que los conocimientos teóricos estaban ya muy desarrollados, pero sus antecedentes vienen de más atrás, ya en el siglo XIX se habían construido algunos puentes atirantados.

Uno de los motivos que han retrasado el desarrollo de los puentes atirantados, es su

dificultad de cálculo así como de construcción. Las técnicas constructivas son bastantes similares a las de concreto pretensado, en lo que respecta a transmitir cargas a los tirantes, por ello el desarrollo de los puentes atirantados ha sido algo posterior a el desarrollo de las teorías sobre el concreto pretensado. Pues básicamente existía la dificultad de entender el comportamiento de las cargas a través del tablero y de los tirantes que se veían modificados, con la transmisión de cargas a cada tirante.

La técnica de los tirantes metálicos se dio solapada con el uso de los puentes colgantes, en principio se usaron puentes con tirantes cercanos al tablero, mientras el centro del vano se sostenía por cables principales, de esto surgieron dificultades de cálculo al tener dos acciones superpuestas. Pero los principales puentes exclusivamente atirantados fueron alemanes; en los cuales se dispusieron pocos tirantes muy separados por ejemplo el

puente de Nordbrucke en Dusseldorf 260metros año 1958



HISTORIA Los puentes atirantados pueden datar desde 1595, de los que se han encontrado diseño en un libro encontrado llamado

Machinae Novae

escrito por Fausto Veranzio.

Muchos puentes colgantes primitivos fueron e n un principio híbridos de puentes colgantes y atirantados, incluyendo el puente peatonal Dryburgh Bridge construido en 1817. James Dredge patentaría el Puente Victoria en Bath (Reino Unido, 1836) y más tarde el Albert Bridge en Londres en 1872. Los diseñadores de puentes descubrieron que la combinación de ambas tecnologías permitía construir puentes más rígidos, un ejemplo de esto es el puente de las cataratas del Niágara construido por John Augustus Roebling.

El ejemplo más antiguo y conocido de un verdadero puente atirantado es el puente de acero de Bluff Dale, situado en Bluff Dale, (Texas, Estados Unidos.) construido en 1890 por E.E. Ruyon. En pleno siglo XX los ejemplos más pioneros incluyen a A. Gisclard, con el puente de Cassagnes (1899), en el que la componente horizontal de la fuerza de los cables es compensada por un cable puntal horizontal, previniendo así la compresión significativa del tablero. Eduardo Torroja, un ingeniero español diseño un puente atirantado para el acueducto del Tempul en la provincia de Cádiz, España en 1926.

Alber Caquot construiría un nuevo puente atirantado con tablero de hormigón sobre el canal de Donzère-Mondragon en Pierrelate convirtiéndose en el primer puente atirantado moderno, pero aún con una gran influencia de los diseños previos. El puente de tablero metálico Strösmund Bridge diseñado por Franz Dischinger también es citado como uno de los primeros puentes atirantados modernos.

Otros pioneros claves en esta época son Fabrizio de Miranda, Riccardo Morandi y Fritz Leonhardt. En este período se usaban muy pocos cables como en el caso del puente de Theodor Heuss en Düsseldorf de 1958. Sin embargo el utilizar pocos cables aumentaba enormemente el costo de construcción por lo que las modernas estructuras llevan muchos más cables. El tiempo ha hecho que los puentes atirantados se hagan un lugar en el diseño de puentes y desplacen a los puentes ménsula.



COMPORTAMIENTO DE LOS PUENTES ATIRANTADOS.

Los puentes atirantados consisten de un tablero soportado por cables rectos e inclinados fijados a mástiles. Se han tornado más comunes debido a su economía y estabilidad para vanos grandes (200 a 1000 metros) pero principalmente por su apariencia atractiva. Tienen tres partes principales: tablero, mástil, y tirantes. el tablero es soportado elásticamente en varios puntos a lo largo de su extensión por cables inclinados, fijados al mástil las cargas permanentes y móviles son transmitidas al mástil o torre; mediante los tirantes con una estructura reticulada con tirantes traccionados los cuales transmiten las fuerzas de carga de tablero a inclinación de los tirantes comprime el tablero del puente rigidizándolo, y aportándole mayor resistencia, bajo el mismo principio del concreto preesforzado, sabemos que el mástil y el tablero quedan comprimidos, por lo que aumenta su capacidad de carga y su resistencia a esfuerzos de cargas cortantes y dinámicas, el mástil o torre de un puente atirantado se construye con una esbeltez proporcional al alcance de los tirantes y la luz a cubrir, el mástil es el que recibe y transmite las cargas como acciones verticales al suelo de fundación, además de ser el responsable por la estabilidad general de la estructura, pues leves distorsiones de su posición, generarían sobreesfuerzo en unos tirantes, y relajamiento en otros, con posibles graves consecuencias, como pandeo o rotación alrededor del eje longitudinal del puente. Este tipo de estructuras es altamente

hiperestático, bastante sensible a la secuencia constructiva, sin embargo debido a la flexibilidad del tablero, este acepta una considerable gama de fuerzas de instalación de los tirantes.

Es importante escoger una distribución inicial apropiada para estas fuerzas de sobrecarga permanente, de tal manera que; la flexión en el tablero sea limitada. Como los puentes son construidos por fases y con diferentes materiales; el mástil y el tablero de concreto estarán sujetos a esfuerzos por retracción y fluencia, y el puente sufrirá estas acciones consecuentemente no del todo negativas porque a la vez brindan rigidez y facilitan la transmisión de fuerzas cortantes, y los tirantes de acero y estarán a tracción completando el triangulo de fuerzas. Los efectos de las acciones sobre los componentes alteran las


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deformaciones, y los esfuerzos en los puentes, por lo que estas r acciones internas se aproximarían a valor s muy inesperados, si no se hace un plan para la construcción del puente que permita u a buena distribución de los esfuerzos durante l construcción y en la configuración final. L

bibliografía refiere que es inevitable que se presenten desvíos

constructivos que alte en estos valores, por lo que se recomienda tableros construidos para que toleren cierto margen de error.

TIPOS DE PUENTES ATIRANTADOS Puente atirantado de ilón lateral En este tipo de puente, el pilón, no está situado en el mismo plano de la pista (longitudinal), sino un poco a un lado, este diseño permite puentes con pistas algo cu vas.

Puente atirantado asi étrico Este tipo de puentes, usa un pilar a un extremo del puente al que ll gan los cables. Estos puentes no son muy d iferentes respecto a los atirantados normales. L a fuerza de los cables puede ser compensad continuando estos hasta unos contrapesos e el suelo. Los cables, pueden ser sustituidos por pilares de hormigón prensado trabajando a compresión.

Puente atirantado de ilón contrapeso Es un puente similar al anterior, salvo que los cables no continúan has ta el contrapeso, sino que están anclados al ilón, y el pilón sujeta la fuerza de los cables, de bido a su propio peso y su anclaje en el terr no. Uno de los pioneros de este diseño es San iago Calatrava con el Puente del Alamillo en Sevilla.

Puente atirantado Diseño tipo arpa

Puente tirantado Diseño ipo abanico (fuente de las imágenes wikipedia)

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CARACTERISTICAS GENERALES

Los puentes atirantados ocupan un punto medio entre los puentes de acero de contrapeso y los colgantes. Un puente colgante, requiere más cables (y más acero), y uno de contrapeso, más acero para su construcción. Aunque desde el punto de vista estructural serían puentes que trabajan en modo contrapeso. Este tipo de puentes se usa en vanos medianos y grandes con luces que van de los 300

metros al kilómetro, como en estrechos y bahías, aunque para vanos mayores de un kilómetro, en la actualidad se usan puentes colgantes solamente. Si el diseñador lo considera y las condiciones del fondo lo permiten se pueden construir puentes atirantados de vanos sucesivos que salvan luces mayores del kilómetro como es el caso del Puente RioAnterior o el Viaducto de Millau. Este tipo de puentes también se usa para pequeñas pasarelas peatonales. Dos de las características de estos puentes es el número de pilones, hay puentes con uno solo, o con varios, lo más típico es estar construidos con un par de torres cerca de los extremos.

Puente Rio-Antirio en Grecia es uno de los mayores puentes atirantados de Europa. También se caracterizan por la forma de los pilones (forma de H, de Y invertida, de A, de A cerrada por la parte inferior (diamante), una sola pila...), y si los tirantes están sujetos a ambos lados de la pista, o si la sujetan desde el centro (dos planos de atirantamiento, o uno solo respectivamente). También es característico en los puentes atirantados; la disposición de los tirantes, ya que puede ser paralelos, o convergentes (radiales) respecto a la zona



donde se sujetan en el pilón. También pueden tener un gran número de tirantes próximos, o pocos y separados, como en los diseños más antiguos.

Algunos puentes tienen los pilares los mismos tirantes en el vano central del puente que en los de los extremos, otros, tienen más cables en el vano del centro que en los vanos extremos, también conocidos como vanos de compensación.

Algunos puentes atirantados, son

puentes

mixtos, con unos vanos atirantados, y otros de tipo puente viga, como es el caso del Puente de

Rande. Mide 1.558 m. de longitud total, aunque en esta cifra se combinan los tramos de puente sobre

pilares

y

el

puente

atirantado

propiamente dicho, que mide 694.98 m. El vano central mide 401 m. y los dos vanos laterales del tramo atirantado miden 147 m. cada uno. Los dos pilares que sostienen el tramo atirantado tienen forma de H y una altura total de 118.60 m.

Los puentes atirantados tal y como los conocemos hoy tienen muchos tirantes y muy juntos, de forma que la viga del puente se comporte como si estuviera apoyada a lo largo de toda su longitud sobre un material perfectamente elástico. Y transmita las reduciendo las deflexiones y los momentos actuantes.

Así como también tenemos los puentes

atirantados de concreto se diseñan construyen con tirantes de concreto armado, basando su cálculo en los principios del concreto pre esforzado Su origen está en Ricardo Morandi, entre todos estos puentes el mejor ejemplo Seria

nuestro

puente sobre El Lago de

Maracaibo, con siete vanos atirantados cinco de ellos de 235 metros.



Una propuesta un poco mas ingeniosa combina en si un hibrido entre puentes atirantados Y puentes de vigas, este es el puente Ganter, en suiza para el cual, los tirantes formados por unidades normales de pretensado, se extienden a lo largo del tablero, y posteriormente se alojan en un recubrimiento común de concreto formando un alerón pretensado, protección,

que

aporta rigidez,

estabilidad, con respecto a este puente se observa que las torres del mismo, son mucho menores que las optimas para un puente atirantado, aseverando su condición de hibrido.

Como otro ejemplo de puente atirantado novedoso tenemos El

Ponte

di

Scavalcamento

dell’Autostrada A1 con una luz de 221 metros

es un puente

atirantado, con un arco que se desarrolla

siguiendo

su

eje

longitudinal. Dicho arco, cuya altura máxima es de 46 metros, se halla completamente fijado a la base mediante una conexión con el cajón central de la calzada, que a su vez se encuentra suspendido por la parte inferior del arco mediante cables

dispuestos en forma radial. Por su parte, las costillas poseen un voladizo de 9,75 m desde el cajón central de acero y mantienen una distancia de 3,5 metros entre ellas. El puente tiene una doble simetría respecto a sus ejes longitudinal y transversal.



El puente del Alamillo es un

puente atirantado de pilón contrapeso que cruza el río Guadalquivir. Fue diseñado

por

Santiago

Calatrava

y

terminado en 1992. El puente consta de

un único pilar que actúa de contrapeso para los 200 m del puente gracias a trece largos cables;

está considerado

como el primer puente sustentado por cables en el que la plataforma se equilibra con el peso de la torre inclinada hacia atrás. Esta tiene una altura de 142 metros, y una inclinación de 48º realizada con secciones hexagonales de planchas de acero revestidas de hormigón en masa, en el cual se alojan los 13 pares de cables que sostienen el tablero.

LOS PUENTES ATIRANTADOS MAS LARGOS DEL MUNDO Puente

Longitud

Localización

Sutong Bridge

1088 metros

Yangtze River, China

(en construcción)

Stonecutters Bridge

1018 metros

Hong Kong, China

(en construcción)

Tatara

890 metros

Fuzhou, China

Normandie

856 metros

Le Havre, Francia

Qingzhou Minjiang

605 metros

Fuzhou, China

Yangpu

602 metros

Shanghai, china

Xupu

590 metros

Shanghai, China

Miko-Chuo

590 metros

Nagoya, Japon

Skarnsundet

530 metros

Trondheim Fjord, Noruega

Tabla creada por el autor de esta investigación, en base a Datos tomados de internet.



COMPARACION CON LOS PUENTES COLGANTES

Los puentes atirantados, sobre todo si tienen varias torres, pueden parecer muy parecidos a los colgantes, pero no lo son. En la construcción, en un puente colgante se disponen muchos cables de pequeño diámetro entre los pilares y los extremos donde se anclan al suelo o un contrapeso, estos cables, son la estructura primaria de carga del puente. Después, antes de montar la pista, se suspenden cables del cable principal, y más tarde se monta esta, sosteniéndola de dichos cables, para ello, la pista se eleva en secciones separadas y se instala. Las cargas de la pista se transmiten a los cables, y de este al cable horizontal, y luego, a los pilares, los contrapesos de los extremos, reciben una gran fuerza horizontal. En los puentes atirantados, las cargas, se transmiten al pilar central a través de los cables, pero al estar inclinados, también se transmiten por la propia sección, hasta el pilar, donde se compensa con la fuerza recibida por el otro lado, no con un contrapeso en el extremo, por ello, no requieren anclajes en los extremos.

CONSIDERACIONES TECNICAS SOBRE EL EFECTO DE LOS VIENTOS SEGÚN AASHTO CODE

AASHTO LRF 2004, presenta las siguientes especificaciones que corresponden a las características de los puentes atirantados: En el articulo 3.8.3 referente a la estabilidad aeroelastica, indica que todos los puentes y componentes estructurales de los mismos cuya relación longitud de tramo / ancho o Profundidad sea superior a 30,0 se consideraran sensibles al viento, y por lo general las características de los puentes atirantados siempre superan esta relación por su características estructurales. Por esto se recomienda realizar un estudio y diseño para los componentes que estén afectados por los vientos, se requieren análisis complejos de aeroelasticidad en base a información obtenida en ensayos de túnel de viento. Un ensayo de túnel de viento adecuado involucra la simulación del ambiente eólico local del sitio de

emplazamiento del puente. Todo esto para tomar en cuenta la excitación provocada por el viento y la lluvia; los efectos de los vórtices y las ráfagas sobre los cables, pues a pesar de



haber sido demostrado su acción harmónica de estos efectos sobre los componentes de los puentes, es de importancia trascendental, mantener las tensiones producidas por las oscilaciones de los componentes expuestos, por debajo de la tensión de fatiga propia del material para lograr periodo de vida infinita. Y especifica en el articulo 3.8.3.3 Control de Respuestas Dinámicas; que los cables y tirantes se diseñaran para estar libres de esos daños producidos por la mencionada fatiga provocada por las oscilaciones inducidas por efectos del viento, en el análisis de estos efectos se mayorará en 1.2 la velocidad del viento, además en el comentario de este articulo agrega que los cables de puentes atirantados se han

estabilizado

exitosamente

contra

las

respuestas

dinámicas

excesivas

fijando

amortiguadores al puente a nivel del tablero, o arriostrando múltiples cables en forma cruzada.

En cuanto a las especificaciones estructurales en su articulo 4.6.3.7 Puentes

Atirantados indica que: La distribución de la solicitaciones entre los componentes de un puente atirantado se puede determinar mediante análisis estructurales espaciales o planos si así lo Justifica la consideración de la geometría de las torres, el número de planos de tirantes y la rigidez torsional de la superestructura del tablero. En los puentes atirantados se deberán investigar los efectos no lineales que pueden ser producidos por:

La variación de la flecha del cable en todos los estados limite. La deformación de la superestructura del tablero, las torres en todos los estados límites. La no linealidad de los materiales en los estados límites correspondientes a eventos extremos. Además de la investigación y el análisis de las cargas en el puente en el caso de la perdida de algún tirante individual.

Otra de las especificaciones entre las cuales entran los puentes atirantados es la referente a los sistemas constructivos; pues exige para los puentes construidos por segmentos, la planificación y análisis estructural del sistema c onstructivo.



CONCLUSIONES

Los puentes colgantes son un desarrollo estructural producto de la experiencia ganada en la construcción de puentes, y el conocimiento científico sobre las propiedades mecánicas y comportamientos físicos de los materiales, pues desde la ingeniería vino avanzando en este campo desde los antiguos puentes de arco romanos, puentes de viga, puentes de pórticos, puentes colgantes, hasta los puentes atirantados, cuya aparición se da solapada con la construcción de puentes colgantes, demostrando que se podían salvar mayores luces con un gasto menor de acero, reduciendo así costos y cargas por peso propio, también tienen la ventaja de mayor capacidad de carga y rigidez que la de los puentes colgantes.

Al referirnos a los puentes atirantados sabemos que su desarrollo se dio un tanto posterior al desarrollo de las teorías de concreto preesforzado, pues en su comportamiento estructural se desarrollan las grandes capacidades de carga a bajas deflexiones, gracias a la compresión del tablero, lo que permite alcanzar longitudes considerables, además está en compresión, la torre o mástil, que se encarga de recibir los esfuerzos verticales y transmitirlos a el suelo de fundación, y completando el triangulo de fuerzas encontramos los tirantes o cables de acero que se encuentran a tracción; y aunque para puentes atirantados de varias torres se pudieran confundir con los puentes colgantes, estos últimos están construidos por dos tipos de cables, dos cables principales longitudinales con comportamiento de catenaria, que reciben las cargas verticales del tablero y las transmiten a las torres; por otra parte un detalle a destacar: es el hecho de que en un puente atirantado, un mástil no puede traccionar el tablero de un solo lado en la dirección longitudinal, pues en ese caso la fuerza de la tensión es tan grande que el mástil se volcaría, causando el colapso estructural del puente, solo debido a los esfuerzos horizontales, un caso excepción serán los puentes atirantados a contrapeso donde solo una torre resiste los esfuerzos del puente utilizando un contrapeso propio de la torre inclinada hacia el lado opuesto de la luz a salvar por el puente.



Al hacer una revisión de esta investigación de puentes atirantados; encontraremos como desventajas, la dificultad de calculo que se dio para el desarrollo de esta técnica, que en cierta forma esto ha quedado un tanto relegado, con los modernos programas computarizados para el cálculo estructural, pues estos incorporan sendas herramientas para el cálculo de cables, muy útiles estos en el diseño, por supuesto con el correspondiente nivel de manejo, y el necesario conocimiento estructural de un especialista o grupo de especialistas en el área de puentes, otro detalle en cuanto a las desventajas es el proceso constructivo, debido al comportamiento interno de los componentes, leves errores en la etapa de construcción conllevaran a esfuerzos muy por encima de los analizados originalmente por el ingeniero estructural, y que significaran problemas estructurales en los componentes. Por lo cual las normas piden presentar un análisis detallado del comportamiento estructural del sistema de construcción.


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