Puente Atirantado

5/24/2018 Puente Atirantado

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Puente Atirantado.

El diseo y la tecnologa de los puentes atirantados se desarrollaron

fundamentalmente a finales del siglo XX para permitir la construccin de puentes

con mayores claros y alturas, adems de la esttica y versatilidad arquitectnica

que permiten. Contrario a lo que se puede pensar, el diseo conceptual de los

puentes atirantados data del ao de 1784, cuando un carpintero alemn propuso

una estructura totalmente hecha de madera. A inicios del siglo XIX, en Europa, se

construyeron algunos puentes que consideraban elementos de atirantamiento con

barras o cadenas. A finales de esa centuria se construyeron puentes colgantes de

gran tamao, combinando el sistema de atirantamiento, tales como los diseos

tpicos de J Roebling en los Estados Unidos, siendo el de Brooklyn en Nueva York,

uno de los ms conocidos.

A partir de la mitad del siglo XX, despus de la Segunda Guerra Mundial y

una vez desarrollado el uso de cables para el sistema de atirantamiento se

trazaron en Alemania y gran parte de Europa varios puentes que adicionalmente

incorporaban diseos revolucionarios, y que desde el punto de vista arquitectnico

los hicieron particularmente especiales y llamativos. Dentro de esta poca

destacan los correspondientes a Theodor Heuss (1958) y el Fiedrich Ebert (1967)

en Alemania, por mencionar algunos de los ms importantes. Posteriormente,

estos diseos empezaron a levantarse en Estados Unidos, Japn y el resto del

mundo, siendo a la fecha uno de los conceptos ms empleados para claros de

gran tamao.

En general, se sabe que los puentes atirantados son los adecuados cuando

ante claros entre 100 y 500 m; sin embargo, la tecnologa actual ha permitido

llegar hasta claros mayores a los 800 m, tales como el Tatara en Japn (890 m) o

el Pont de Normandie en Francia (856 m); o bien, de diseos novedosos que por

su esttica son particularmente conocidos, como es el caso del de Santiago

Calatrava para el puente del Alamillo en Sevilla, Espaa.


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Figura 1.Puente Pont de Normandie en Francia.

Figura 2.Puente de Tatara en Japon.

Figura 3.Puente del Alamillo en Sevilla, Espaa.


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Los puentes atirantados se componen de tres elementos bsicos: el tablero,

los cables o tirantes, y las pilas o torres. En general, el diseo de estos elementos

se relaciona ntimamente con los otros, antes de estudiar el comportamiento de

estos, vamos a detallar cada uno de estos elementos, y como se relacionan entre

s, hay dos aspectos fundamentales a tratar el tipo de suspensin, y la distribucin

de los tirantes.

La distribucin y el arreglo del sistema de suspensin, no slo afecta el

comportamiento y desempeo estructural del puente, sino tambin sus

dimensiones, los mtodos constructivos y, al final, el costo total de construccin.

Los sistemas de suspensin pueden ser, en general, de tres diferentes

tipos. El primero, de suspensin central o en el eje; el segundo, de suspensin

lateral o en los bordes y el ltimo, de suspensin en tres planos.

Figura 4.Sistemas de suspensin en puentes atirantados.

En la distribucin geomtrica de los tirantes, generalmente se consideran

cuatro diferentes tipos de diseo, que son los de tipo arpa o de cables paralelos yarreglo simtrico; los de tipo abanico, desplazados todos los cables desde la parte

alta de las pilas y con distribucin simtrica; los de tipo semi arpa, cuyos cables no

son paralelos y optimizan la distribucin de cargas con el tamao de la pila; y

finalmente, los asimtricos.


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Figura 5.Distribucin geomtrica de los tirantes.

Tablero.

El tablero, interviene en el esquema resistente bsico de la estructura del

puente atirantado porque debe resistir las componentes horizontales que le

transmiten los tirantes. Estas componentes generalmente se equilibran en el

propio tablero porque su resultante, igual que en la torre, debe ser nula.

La seccin transversal del tablero depende en gran medida de la

disposicin de los tirantes. En los puentes atirantados en el eje, generalmente es

un cajn cerrado con voladizos laterales, y en los puentes atirantados en los

bordes, generalmente est formada por dos vigas longitudinales situadas en losbordes del tablero, enlazadas entre s por vigas transversales.

Figura 6.Seccin transversal tablero atirantado en el eje.


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Figura 7.Seccin tablero atirantado en los bordes.

Pilas o torres.

Las pilas son elementos verticales anclados en el la superficie del suelo que

constituye el vano del puente, estas se van a encargar de servir como apoyo a los

tirantes, y son las encargadas de resistir los esfuerzos que estos le transmiten

debido a la flexin del tablero del puente, estas a su vez transmiten los esfuerzos

a las fundaciones en el suelo, existen varios diseos que, ms que nada,

dependen del concepto arquitectnico y la esttica que el diseador quiera dar al

puente; sin embargo, las ms comunes son las de forma de: tringulo; diamante;

de una columna; de doble columna paralela; o de doble columna con vigas

transversales. La seleccin del tipo de pila depende en gran medida del ancho del

tablero, la altura y el claro del puente, as como del sistema de atirantamiento.

Figura 8.Diseo tpico de pilas con atirantamiento en el plano central.

Las pilas en forma de A (primera figura a la izquierda) se usan sobre todo

en sistemas de distribucin de tipo abanico, concurriendo en la punta todos los


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cables, mientras que las pilas en forma de A ensanchada (segunda figura a la

izquierda), se usa en sistemas de distribucin de arpa y semi arpa, donde la

mayora de los esfuerzos estn concentrados en el centro de masa de la unin

tirantes torre.

Figura 9.Diseo tpico de pilas con atirantamiento en planos laterales.

Tirantes y elementos de anclaje.

En los puentes atirantados existen dos elementos estructurales que se

consideran crticos: los tirantes y los elementos de anclaje de los tirantes. Eldesarrollo tecnolgico en torno a estos dispositivos es quizs lo ms determinante

cuando se habla de puentes atirantados. Desde una visin general, para su diseo

hay dos objetivos fundamentales que se persiguen: en primer lugar, asegurar que

las tensiones de los cables se pueden controlar durante el proceso constructivo y

mantenerlos durante su vida en servicio. En segundo lugar est asegurar la

integridad de los cables y los elementos de sujecin para que factores ambientales

y externos no afecten su resistencia o capacidad estructural. En este ltimo caso,

uno de los principales problemas es la corrosin.

En cuanto a los tirantes, se utilizan aceros especiales de muy altaresistencia y se configuran por barras paralelas (acopladas y no acopladas),

alambres paralelos, tendones, y rollos compactos de alambres.


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Figura 10.Principales tipos de cables utilizados en puentes atirantados

En cuanto los elementos de anclaje y en general son diseos patentados

cuyo fabricante establece los procedimientos de tensado de tal forma que se

controle la tensin final y el perfil del tablero. Evidentemente, el diseo del sistema

de anclaje depende del tipo de tirantes utilizados.

Figura 11.Diseos tpicos para los sistemas de anclaje para a) Barras, b)

Alambres y c) Tendones.


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Figura 13.Esquema de un puente atirantado.

Clculo estructural de un puente atirantado.

Es dificultoso presentar una descripcin detallada de cmo se disea un

puente atirantado, lo cual es un tema complejo y requiere de un tratamiento ms

formal; sin embargo, es importante contar con una descripcin general de los

aspectos que intervienen en el diseo para comprender la compleja interaccin

que hay entre los diferentes elementos que los constituyen.

Los puentes atirantados son estructuras altamente redundantes

(comportamiento estructural que permite la distribucin de fuerzas internas para

una gran disipacin de energa), cuyas cargas se distribuyen de distintas formas a

travs de los diferentes tirantes y columnas, por lo que el proceso de diseo

resulta particularmente complejo, teniendo como objetivo principal optimizar el

arreglo de los tirantes y las dimensiones de las secciones transversales del tablero

y las columnas. En general, el proceso de diseo comprende varias etapas, a

continuacin se muestra un esquema con las etapas de diseo de un puente

atirantado.


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Figura 12.Diagrama de flujo del proceso de diseo de un puente

atirantado.

En el diseo se toman en cuenta dos tipos de anlisis el esttico y el

dinmico.

De forma especfica, en el estudio esttico se consideran los efectos de las

cargas muertas y las cargas vivas para establecer los momentos, esfuerzos

cortantes y las deformaciones mximas basados en la teora de diseo de estados

lmites, considerando los factores de resistencia y carga de la estructura.

Para las cargas vivas se toma en cuenta el peso del trfico vehicular, el

viento, los sismos, las cargas de pre esfuerzo y los asentamientos diferenciales,

segn el tipo y tamao del puente, o el lugar en donde se vaya a construir. Para

analizar el efecto del peso de los vehculos se utilizan dos sistemas de carga; las

cargas concentradas y las cargas distribuidas. Los sistemas de cargas

concentradas buscan simular el efecto de vehculos pesados con baja


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probabilidad de ocurrencia; mientras que las cargas distribuidas simulan el paso

de un convoy de unidades representativo para el trfico considerado para esa

carretera.

Como parte del anlisis dinmico, se evala el comportamiento vibratorio

del puente mediante anlisis modal; se determinan las frecuencias naturales y losmodos de vibrar, y se evalan las respuestas del puente ante el efecto del viento

y/o de sismos. Por la longitud de este tipo de construcciones el estudio

aerodinmico es fundamental, ya que las cargas del viento son proporcionales al

cuadrado de su velocidad y se presentan en la direccin lateral del puente; por lo

que en condiciones extremas pueden someter al puente a condiciones crticas con

vibraciones o desplazamientos combinados en direcciones torsional, transversal y

horizontal.

Para el anlisis estructural, por lo general se emplean varios modelos

de elementos finitos, tanto bidimensionales como tridimensionales, dependiendodel alcance que se quiera y de la etapa de diseo que se trate.

Comportamiento estructural de un puente atirantado.

Consideremos un puente atirantado sometido a una carga distribuida (carga

repartida en cierta longitud de un elemento estructural) resultado de la sumatoria

de las cargas muertas (cargas permanentes en una estructura, en nuestro caso

sera el peso de la calzada del puente, tirantes y torres), y las cargas vivas (cargas

temporales en una estructura, en nuestro caso el peso del trfico vehicular).

Figura 13.Carga sobre puente atirantado.

Esta carga va a producir un esfuerzo de flexin en el tablero del puente

(vigas), es decir va a producir una deformacin en las vigas que componen el

tablero, en la figura observamos a grandes escalas la deformacin del tablero de

un puente con las distintas distribuciones geomtricas de los tirantes, las mayores


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deformaciones se producen con distribucin en forma de arpa, y las menores

deformaciones con distribuciones en forma de abanico. Este esfuerzo de flexin

est relacionado directamente con la carga repartida y con la luz (distancia entre

las pilas) del puente.

El esfuerzo de flexin es absorbido por la misma viga del tablero, cuyaseccin se calcula para soportar parte de la flexin producida, y tambin por los

tirantes, los cuales trabajan a traccin, resultado del estiramiento o alargamiento al

que se ven sometidos los tirantes por la deformacin de la estructura, la direccin

del esfuerzo de traccin es la misma direccin que tiene la inclinacin del tirante.

Figura 14.Esfuerzo de traccin en tirantes.

Este esfuerzo de traccin dependiendo del apoyo que tenga con el tablero y

con las torres, generalmente un apoyo simple, produce debido a la inclinacin del

tirante dos reacciones una vertical y una horizontal, de las reacciones verticales

van a depender las secciones a utilizar en los tableros y en las torres, por lo

general las reacciones horizontales se contrarrestan, el conjunto de tirantes en la

torre le van a transmitir a las torres adems los esfuerzos de tensin generados

por la deformacin del tablero.


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Figura 15.Distribuciones de los momentos flexionantes en la pila para la

configuracin de a) arpa y b) abanico, y para diferentes momentos de inercia del

tablero.

En la figura anterior observamos la distribucin de los momentos flectores

en las torres del puente, en una configuracin de arpa y de abanico para

diferentes luces, se puede observar que en la configuracin de abanico el

comportamiento de la torre es ms estable, teniendo distribuciones ms lineales,

los esfuerzos mximos son parecidos en ambos casos.

Por ultimo estos esfuerzos son transmitidos por las torres a la base del

suelo por medio de las fundaciones de las mismas.

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