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Puentes
P U E N T E S (I) Evolución – Tipología – Normativa - Cálculo
CARLOS JURADO CABAÑES Doctor Ingeniero de Caminos Canales y Puertos
Profesor Titular Universidad Politécnica de Madrid Coordinador y Responsable de la asignatura de Puentes en la
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil
Puentes
Foto de la cubierta puente sobre el río Aare, Berna (Suiza) (cortesía IABSE)
Primera edición septiembre 2013
© Carlos Jurado Cabañes
Reservados los derechos para todos los países. Ninguna parte de la publicación puede ser reproducida por ningún medio sin previa autorización del autor.
ISBN TOMO I: 978-84-616-6151-0 ISBN OBRA COMPLETA: 978-84-616-6149-7 Depósito Legal:
Puentes Índice
V
P U E N T E S
ÍNDICE POR TOMOS TOMO I CAPÍTULO 1: EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LOS PUENTES
CAPÍTULO 2: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE PUENTES
TOMO II
CAPÍTULO 3: ELEMENTOS DE UN PUENTE
CAPÍTULO 4: ESTABLECIMIENTO DE ACCIONES EN PUENTES DE CARRETERA, SEGÚN IAP
CAPÍTULO 5: ESTABLECIMIENTO DE ACCIONES EN PUENTES DE FERROCARRIL, SEGÚN IAPF
CAPÍTULO 6: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE TABLEROS RECTOS
CAPÍTULO 7: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE ESTRIBOS
CAPÍTULO 8: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE PILAS
CAPÍTULO 9: ELEMENTOS DE APOYO DEL TABLERO Y JUNTAS
CAPÍTULO 10. LA PRUEBA DE CARGA
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Puentes Índice
VI
A mi esposa, Isabel y a mis hijos
Carlos, David, Isabel y Sara
Puentes Índice
VII
INDICE
PRÓLOGO DEL AUTOR CAPÍTULO 1: EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LOS PUENTES
1.1. Introducción 1.2. Puentes primitivos
1.2.1. Puentes catenaria incas 1.2.2. Puentes catenaria en China y en el Tíbet 1.2.3. Puentes colgantes en el Renacimiento 1.2.4. Puentes de barcas 1.2.5. Puentes en voladizo o Cantiléver 1.2.6. Puentes bóveda naturales o artificiales
1.3. Puentes de piedra 1.3.1. Periodo romano 1.3.2. Periodo medieval 1.3.3. Periodo renacentista 1.3.4. El siglo XVIII 1.3.5. Los últimos puentes de piedra
1.4. Puentes de madera 1.5. Puentes metálicos
1.5.1. Puentes de fundición 1.5.2. Puentes de hierro forjado 1.5.3. Puentes de acero 1.5.4. Arcos de acero
1.6. Puentes de hormigón armado 1.7. Puentes de hormigón pretensado 1.8. Puentes mixtos 1.9. Puentes colgantes
1.9.1. Etapa primitiva 1.9.2. Etapa de redescubrimiento de los puentes colgantes 1.9.3. Etapa desde el puente de Brooklyn al puente de Tacoma 1.9.4. Etapa desde el puente de Tacoma a los actuales puentes europeos y
asiáticos 1.9.5. Grandes puentes colgantes futuros
Puentes Índice
VIII
1.10. Puentes atirantados 1.10.1. Primeros puentes atirantados 1.10.2. Puentes atirantados metálicos 1.10.3. Puentes atirantados de hormigón 1.10.4. Puentes atirantados singulares
1.11. Puentes extradosados 1.12. Puentes de banda tensada
CAPÍTULO 2: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE PUENTES
2.1. Introducción 2.2. Clasificación de los puentes
2.2.1. Clasificación de los puentes por la forma de trabajo 2.2.2. Clasificación de los puentes por el material utilizado 2.2.3. Clasificación de los puentes por su geometría en planta 2.2.4. Clasificación de los puentes según su tráfico
2.3. Puentes catenaria 2.4. Puentes de vigas, puentes losa y puentes cantiléver
2.4.1. Puentes de vigas 2.4.2. Cálculo de los puentes viga 2.4.3. Métodos constructivos de los puentes viga
2.5. Puentes arco 2.5.1. Tipología de los puentes arco 2.5.2. Puentes arco con tablero superior 2.5.3. Puentes arco con tablero intermedio 2.5.4. Puentes arco con tablero inferior 2.5.5. Cálculo de los puentes arco 2.5.6. Métodos constructivos de los puentes arco
2.6. Puentes pórtico 2.6.1. Tipología de los puentes pórtico 2.6.2. Puentes pórtico de madera 2.6.3. Puentes pórtico metálicos 2.6.4. Puentes pórtico de hormigón 2.6.5. Cálculo de los puentes pórtico 2.6.6. Métodos constructivos de los puentes pórtico
2.7. Puentes en celosía
Puentes Índice
IX
2.7.1. Tipología de los puentes en celosía 2.7.2. Grandes arcos en celosía 2.7.3. Cálculo de los puentes en celosía 2.7.4. Métodos constructivos de los puentes en celosía
2.8. Puentes colgantes 2.8.1. Tipología y características de los puentes colgantes 2.8.2. Los cables 2.8.3. Las torres o pilonos 2.8.4. Las péndolas 2.8.5. El tablero 2.8.6. Las sillas 2.8.7. Los macizos de anclaje 2.8.8. Cálculo de los puentes colgantes 2.8.9. Métodos constructivos de los puentes colgantes
2.9. Puentes atirantados 2.9.1. Elementos estructurales de los puentes atirantados 2.9.2. Ventajas de los puentes atirantados 2.9.3. Tipología de los puentes atirantados 2.9.4. Conexión y anclajes 2.9.5. Cálculo de los puentes atirantados 2.9.6. Métodos constructivos de los puentes atirantados
2.10. Puentes esvíados 2.10.1. Viga enviada biapoyada 2.10.2. Viga enviada continua 2.10.3. Tablero losa enviado biapoyado 2.10.4. Tablero enviado continuo 2.10.5. Tablero enviado de vigas 2.10.6. Viga cajón enviada 2.10.7. Viga cajón enviada continua 2.10.8. Puentes pérgola 2.10.9. Puentes con semitableros desplazados 2.10.10. Métodos constructivos de los puentes esviados
2.11. Puentes curvos 2.11.1. La viga curva 2.11.2. Tableros losa curvos
Puentes Índice
X
2.11.3. El tablero cajón curvo 2.11.4. Métodos constructivos de los puentes curvos
CAPÍTULO 3: ELEMENTOS DE UN PUENTE
3.1. Introducción 3.2. Definiciones 3.3. Elementos de un puente
CAPÍTULO 4: ESTABLECIMIENTO DE ACCIONES EN PUENTES DE CARRETERA, SEGÚN
IAP
4.1. Introducción 4.2. Requisitos fundamentales 4.3. Vida útil de una estructura 4.4. Criterios de comprobación
4.4.1. Situaciones de proyecto 4.4.2. Estados límite 4.4.3. Verificaciones
4.5. Clasificación de las acciones 4.6. Valores característicos de las acciones
4.6.1. Acciones permanentes de valor constante (G) 4.6.2. Acciones permanentes de valor no constante (G’) 4.6.3. Sobrecargas de uso (Q) 4.6.4. Viento 4.6.5. Acción térmica 4.6.6. Nieve 4.6.7. Otras acciones variables
4.7. Valores representativos de las acciones 4.7.1. Valor representativo de las acciones permanentes 4.7.2. Valor representativo de las acciones variables 4.7.3. Valor representativo de las acciones accidentales
4.8. Valor de cálculo de las acciones 4.8.1. Valor de cálculo para comprobaciones en ELU 4.8.2. Valor de cálculo para comprobaciones en ELS
4.9. Combinación de acciones 4.9.1. Combinaciones para comprobaciones en ELU
Puentes Índice
XI
4.9.2. Combinaciones para comprobaciones en ELS 4.10. Criterios para la comprobación de los ELS
4.10.1. Criterios funcionales relativos a las flechas 4.10.2. Criterios funcionales relativos a las vibraciones
4.11. Pruebas de carga
CAPÍTULO 5: ESTABLECIMIENTO DE ACCIONES EN PUENTES DE FERROCARRIL SEGÚN IAPF
5.1. Introducción 5.2. Criterios generales 5.3. Criterios de comprobación
5.3.1. Estados límites de servicio (E.L.S.) 5.3.2. Estados límites últimos (E.L.U.) 5.3.3. Comprobación de la estructura
5.4. Clasificación de las acciones 5.5. Valores característicos de las acciones
5.5.1. Acciones permanentes de valor constante (Gk) 5.5.2. Acciones permanentes de valor no constante (Gk*) 5.5.3. Acciones variables (Qk) 5.5.4. Acciones accidentales (Ak) 5.5.5. Interacción longitudinal vía-tablero
5.6. Valores representativos de las acciones 5.6.1. Acciones permanentes de valor constante (G) 5.6.2. Acciones permanentes de valor no constante (G*) 5.6.3. Acciones variables (Q) 5.6.4. Acciones accidentales (A)
5.7. Valores de cálculo de las acciones 5.7.1. Estados Límites Últimos (E.L.U.) 5.7.2. Estados Límites de Servicio (E.L.S.) 5.7.3. Criterios de funcionalidad en relación con las deformaciones y las
vibraciones 5.7.4. Estados límite para la seguridad del tráfico
5.8. Combinación de acciones 5.8.1. Estados Límite últimos 5.8.2. Estados Límite de Servicio
Puentes Índice
XII
5.9. Pruebas de carga CAPÍTULO 6: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE TABLEROS RECTOS
6.1 El tablero 6.1.1. Tableros de hormigón 6.1.2. Tableros de vigas en doble T 6.1.3. Tableros de vigas artesa 6.1.4. Tableros de vigas cajón 6.1.5. Tableros losa
6.2 Disposición y dimensionamiento de los tableros de vigas 6.2.1. Dimensionamiento de tableros de vigas
6.3 Tableros formados por vigas cajón 6.3.1. Predimensionamiento de la sección 6.3.2. Características de los materiales y coeficientes de mayoración 6.3.3. Determinación de las acciones de cálculo 6.3.4. Determinación de esfuerzos longitudinales en el tablero 6.3.5. Predimensionamiento del pretensado de las vigas 6.3.6. Obtención de los esfuerzos que provoca el pretensado en estado
vacío 6.3.7. Comprobación tensional en servicio de las tensiones de las fibras
extremas de la viga a lo largo de todas las fases del proceso constructivo
6.3.8. Comprobación de los E.L.U. de flexión y cortante en las vigas 6.3.9. Cálculo de la armadura transversal de rasante de las alas de la viga, y
la armadura de conexión con el tablero.
6.4 Tableros metálicos y mixtos 6.4.1. Tablero mixto 6.4.2. La sección transversal bijácena 6.4.3. Vigas longitudinales 6.4.4. Clase de secciones 6.4.5. Clasificación de las secciones 6.4.6. <Diafragmas 6.4.7. Morfología de las secciones mixtas 6.4.8. La sección transversal en cajón 6.4.9. Tableros metálicos
Puentes Índice
XIII
6.4.10. Nuevas tendencias en tableros metálicos y mixtos CAPÍTULO 7: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE ESTRIBOS
7.1 , Los estribos 7.2 Estribos cerrados 7.3 Estribos abiertos 7.4 Estribos prefabricados 7.5 Estribos de tierra armada 7.6 Elementos de un estribo
7.6.1. La meseta de apoyo 7.6.2. Los apoyos del tablero 7.6.3. El murete de guarda o espaldón 7.6.4. Estribos sin murete de guarda 7.6.5. La losa de transición 7.6.6. El muro frontal del estribo
7.7. Cálculo de estribos 7.7.1. Cálculo de estribos con cimentación superficial 7.7.2. Cálculo de estribos en zonas sísmicas 7.7.3. Cálculo de estribos pilotados
CAPÍTULO 8: TIPOLOGÍA Y CÁLCULO DE PILAS
8.1. Las pilas 8.2. Pilas en tableros de vigas 8.3. Pilas en tableros losa 8.4. Pilas de gran altura 8.5. Pilas prefabricadas 8.6. Cálculo de pilas. Cimentación superficial
8.6.1. Cargas estáticas 8.6.2. Cargas dinámicas 8.6.3. Modelos de suelo 8.6.4. Parámetros de cimentaciones superficiales 8.6.5. Rigideces estáticas de cimentaciones superficiales
8.7. Cálculo de pilas. Cimentación mediante pilotes CAPÍTULO 9: ELEMENTOS DE APOYO DEL TABLERO Y JUNTAS
Puentes Índice
XIV
9.1. Los aparatos de apoyo 9.2. Articulaciones de hormigón 9.3. Aparatos de apoyo de neopreno zunchado
9.3.1. Características de los materiales 9.3.2. Rigidez de los apoyos elastoméricos
9.4. Apoyos elastoméricos armados 9.5. Apoyos elastoméricos armados anclados
9.5.1. Dimensiones más habituales 9.5.2. Cálculo de las acciones sobre el apoyo 9.5.3. Solicitaciones 9.5.4. Características mecánicas del apoyo 9.5.5. Comportamiento del apoyo bajo distintas solicitaciones
9.6. Apoyos de neopreno en caja fija (POT) 9.6.1. Esquema de funcionamiento
9.7. Apoyos de neopreno-teflón 9.7.1. El teflón 9.7.2. Los apoyos de neopreno-teflón
9.8. Apoyos de neopreno zunchado anclados 9.9. Aparatos de apoyo pretensados verticalmente 9.10. Aparatos de apoyo metálicos
9.10.1. Apoyos fijos 9.10.2. Apoyos móviles
9.11. Casquetes metálicos esféricos 9.12. Consideraciones sobre los distintos tipos de apoyos 9.13. Elección del tipo de apoyo 9.14. Disposición de los apoyos en el tablero 9.15. Puesta en obra de los aparatos de apoyo 9.16. Patología de los aparatos de apoyo 9.17. Sustitución de los aparatos de apoyo 9.18. Las juntas
9.18.1. Tipología de juntas 9.18.2. Elección del tipo de juntas
Puentes Índice
XV
CAPÍTULO 10: LA PRUEBA DE CARGA
10.1. Introducción 10.2. Pruebas de carga en puentes de carretera 10.3. Objeto del ensayo. Obligatoriedad 10.4. Dirección de las pruebas de carga 10.5. Objeto de la prueba
10.5.1. Estados de carga 10.5.2. Zonas de aplicación de la carga 10.5.3. Vehículos tipo 10.5.4. Magnitudes a medir 10.5.5. Actuaciones complementarias 10.5.6. Instrumentación
10.6. Materialización del tren de cargas 10.6.1. Estados de carga
10.7. Forma de aplicación del tren de carga 10.8. Duración de las cargas. Criterios de estabilización 10.9. Remanencias
10.9.1. Criterio de remanencia 10.10. Criterios de aceptación 10.11. Prueba dinámica 10.12. Informe de la prueba de carga 10.13. Acta de la prueba de carga 10.14. Pruebas de carga en puentes de ferrocarril
10.14.1. Tipos de prueba de carga 10.14.2. Objeto 10.14.3. Alcance 10.14.4. Periodicidad 10.14.5. Personal 10.14.6. Características 10.14.7. Criterios de aceptación de la prueba 10.14.8. Resultado de la prueba
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Puentes Capítulo 1 – Evolución histórica de los puentes
20
1.3.2. PERIODO MEDIEVAL
Después de la caída de Roma en el 476 d.C., las tinieblas se apoderaron de la humanidad (la obscuridad se extendió por toda Europa). Huyendo de los pueblos bárbaros, los hombres cultos se refugiaron en remotos monasterios en las colinas de las olvidadas órdenes religiosas de la Iglesia Católica, por lo que todo el saber y conocimiento clásico pasó a los monjes que se encargaron de transmitirlo de generación en generación.
En el ámbito de las obras públicas, para favorecer el trasiego de los peregrinos y en ocasiones por encargo de los reyes locales, se preocuparon de la reconstrucción de carreteras y puentes. Fueron los llamados “Frates pontifices” en Italia, “Fréres-Pontiffices” en Francia o “Brothers of the Bridge” en Inglaterra.
Inicialmente, en muchas ocasiones el puente se construía de madera, a veces con tablero de madera sobre pilas de piedra, que producía vibraciones al paso de carruajes, pero el deseo de los habitantes era transformarlo en un puente de piedra, siendo el proceso seguido en muchos casos.
El primer puente de Londres inicialmente construido hacia el año 55 d. C por los romanos, era un puente de madera pilotado, que fue reconstruido en 1066 por William I en el mismo material y destruido por un tornado en 1091. En el año 1209 el rey Henry II decidió reconstruir en piedra el Old London Bridge, por suscripción popular para orgullo de la ciudad.
FIGURA 1.23. VIEJO PUENTE DE LONDRES SOBRE EL TÁMESIS El puente estaba constituido por 19 arcos ojivales, con pilas tan sumamente anchas que generaban un estrechamiento muy importante del cauce, produciendo una corriente de considerable velocidad en cada arco, lo que hacía que la navegación bajo el puente fuera peligrosa, denominándose “acertar con el puente”.
Inicialmente el puente era diáfano, pero poco a poco se fue plagando de edificios, pues se puso en moda vivir sobre el puente.
Puentes Capítulo 1 – Evolución histórica de los puentes
21
FIGURA 1.24. PUENTE DE AVIGNON
Otro puente medieval importante fue el puente de Avignon, del que solo se conservan cuatro arcos, en la orilla del lado del palacio de los papas de Avignon, aunque inicialmente la estructura se componía de tres puentes, pues había una isla en el centro del río conectada con las orillas por dos puentes de ocho vanos cada uno y el tercer puente de cinco vanos estaba sobre ella.
Durante los siglos XII y XIII, fueron los monjes los encargados de la construcción de puentes, pero en los dos últimos siglos de la Edad Media, siglos XIV y XV, los seglares tomaron el relevo, generando una época de transición hacia el Renacimiento.
Estos puentes medievales era usual fortificarlos para impedir el acceso del enemigo o disponer capillas o incluso tiendas y casas, como en el puente viejo de Londres. Un bello ejemplar de puente medieval fortificado lo constituye el puente Valentré, sobre el río Lot, en la ciudad de Cahors en Francia.
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Puentes Capítulo 1 – Evolución histórica de los puentes
214
1.11. Puentes extradosados El concepto de pretensado extradorsal en puentes fue presentado por primera vez por Jaques Mathivat en 1988 y consiste en un nuevo sistema estructural en el que los tendones de pretensado se sitúan fuera del canto del tablero, por encima o por debajo de este. El pretensado extradorsal es una solución intermedia entre el pretensado exterior de una viga cajón y el producido en un puente atirantado. En el pretensado exterior los cables no adherentes se sitúan dentro del canto de la viga, cambiando la dirección mediante desviadores.
FIGURA 1.345. PRETENSADO EXTERIOR EN UNA VIGA CAJÓN
Por el contrario en el pretensado extradorsal los cables se salen fuera del canto del tablero por encima o por debajo de este, pero muy lejos de la situación de los cables de un puente atirantado, por lo que el pretensado extradorsal produce fundamentalmente compresiones longitudinales del tablero, mientras que en un puente atirantado, los tirantes producen importantes reacciones verticales acompañadas de componente horizontal. Esto conduce a que en los puentes con pretensado extradorsal las torres son bajas, lo que provoca un menor impacto visual que en los puentes atirantados y permite la posibilidad de construir puentes atirantados próximos a los aeropuertos o en zonas típicamente urbanas. En otros casos cuando el pretensado extradorsal es inferior, el impacto visual del puente es mínimo. Comparados con los puentes con pretensado inferior, como los de viga cajón, presentan una solución más elegante, ya que las torres cortas y los tirantes pueden crear estructuras emblemáticas. Este tipo de puentes han tenido un rápido desarrollo en Japón a partir de la década de los noventa. Desde el punto de vista visual, un puente extradosado tiene un aspecto similar al de un puente atirantado, pero con una torres muy bajas. Sin embargo, desde el punto de vista estructural, un puente con pretensado extradorsal está más próximo al de un puente pretensado de viga cajón.
Puentes Capítulo 1 – Evolución histórica de los puentes
215
En la figura se representa la comparación entre un puente con pretensado exterior (h=0), con pretensado extradorsal (h=L/15) y un puente atirantado (h=L/5), donde h es la altura de las torres sobre el tablero.
FIGURA 1.346. COMPARACIÓN ENTRE PRETENSADO EXTERIOR, PRETENSADO
EXTRADORSAL Y PUENTE ATIRANTADO
El primer puente con pretensado fuera de la sección del tablero fue el puente Boukey, en Hokkaido (Japón), con dos vanos y una longitud total del puente de 57,30 m.
FIGURA 1.347. PUENTE BOUKEY EN HOKKAIDO, JAPÓN Ltotal = 57.30
Lvano principal = 33.20 M
El tendón toma la forma de la ley de momentos flectores y la estructura consiste en una especie de celosía con el tablero trabajando como el cordón en compresión.
Puentes Capítulo 2 Tipología y cálculo de puentes
466
2.10.8. PUENTES PÉRGOLA
Cuando el ángulo de esviaje es muy pequeño, por ejemplo φ ≤ 15º, la luz esviada es muy grande:
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LxL
Lxsen
LxL
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º10
864,3º15
º15
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ϕϕ
ϕϕ
Por lo que en estos casos se suele acudir al puente pérgola.
FIGURA 2.335. PUENTE PÉRGOLA PARA EL AVE PROYECTADO POR EL AUTOR
En un puente pérgola, las vigas se disponen perpendicularmente al eje del tráfico inferior, lo que produce una superficie ocupada por las vigas del puente, mucho mayor que la estrictamente necesaria por el tráfico superior. Las vigas son mucho más cortas que si se dispusieran en sentido esviado y por tanto los momentos flectores menores, por lo que en estos casos la solución de puente en pérgola es más económica.
Lo que se hace es hormigonar la losa en la zona estrictamente necesaria, quedando unas áreas triangulares diáfanas en donde se ven las vigas, razón por la que recibe el nombre de puente pérgola.
Puentes Capítulo 2 Tipología y cálculo de puentes
467
FIGURA 2.336. PUENTE PÉRGOLA EN LA LÍNEA DE AVE (PROYECTO MODIFICADO AUTOR)
Si el esviaje no es muy fuerte puede adoptarse una solución losa extendiéndose esta algo más de lo necesario para dirigir las flexiones en dirección normal.
FIGURA 2.337. PUENTE PÉRGOLA
Una tercera solución consiste en mantener la longitudinalidad del cruce pero disponiendo unos apoyos intermedios que se traducen en pórticos que puentean el tráfico inferior. Este es el caso del viaducto de Vinaixa en el que la línea de alta velocidad se cruza con un ángulo muy esviado sobre las vías de Renfe, disponiendo dos arcos esviados que puentean estas.
