Elementos del Diseño de Puentes Prof Jorge O. Medina M. Facultad de Arquitectura y Diseño Universidad de Los Andes Mayo 2006
Contenido Componentes de un puente. Tipos de puentes. Ubicación y elección de un puente. Estética de puentes. Cargas que actúan en un puente. Diseño geométrico de vías. Ejemplos. Bibliografía.
Componentes de un Puente
Componentes del Puente
Elementos del Puente Sección de desagüe, Tirante de agua, Alteración del río, Superestructura, Tablero: Baranda, Drenaje, Apoyo, Juntas. Infraestructura, Fundaciones, Estribos, Aletas, Pilas.
Sección de desagüe La sección de desagüe debe proporcionar un cruce con seguridad de un cursos de aguas en cualquier oportunidad, durante las crecientes probables en el tiempo útil.
Tirante de Aire Distancia entre el nivel máximo de aguas y la parte inferior del tablero.
Alteración del Régimen del Río Las pilas y los estribos disminuyen la sección por lo que: Se incrementa la velocidad hasta el punto de erosionar el lecho del río y socavar las fundaciones, Remansos aguas-arriba del puente, que podría producir inundaciones de las riberas.
Tablero Superficie en la cual el usuario viaja
Tablero
Tablero
Baranda Deben colocarse Barandas como protección y seguridad de los usuarios. Altura mínima 1,07 m
Apoyo Los aparatos de apoyo se colocan entre la viga y la superficie de apoyo. Se dividen en: Fijos y móviles.
Juntas Los borde del estribo y el tablero del puente deben ser protegidos.
Infraestructura
Fundaciones Tipos Extendida: Fundación directa. Cajón: Fundación que lleva la carga al estrato portante. Pilotes: Fundación indirecta que transmite la carga a estratos más profundos.
Estribo Apoyos extremos del puente, soportan las cargas del puente y contienen el terraplén de acceso.
Aletas Contienen el terraplén de acceso y Protegen el terraplén del cauce de la corriente.
Pilas Apoyos intermedios del puentes.
Tipos de Puentes
Clasificación de los Puentes Los puentes se pueden clasificar según: Utilidad; material; localización de la calzada y forma de la estructura.
Clasificación de los Puentes Utilidad Puentes peatonales, puentes para carreteras, puentes para vías férreas, puentes para paso de tuberías y puentes grúas. Materiales Madera, concreto, ya sea reforzado o preesforzado, metálicos y mixtos.
Clasificación de los Puentes Localización de la Calzada Estructuras por debajo del tablero (Tablero superior) Arco Armadura en arco Estructura por encima del tablero (Tablero inferior) Colgantes Atirantados Armaduras de paso interior Estructura principal coincide con el tablero Puentes de viga Losa Viga T Viga I Viga de ala ancha Viga cajón de acero y concreto Viga compuesta de alma llena
Forma de la estructura Losa, vigas, armadura, arco, atirantado y colgante.
Puentes de Estructura en el Tablero Llevan la carga por flexión y corte, forma ineficaz de realizarlo, comparada con la compresión del arco y la tracción del cable. Son una solución económica para una gran cantidad de puentes. Solución típica para tramos de cortos a medios, con luces menores a los 50 m.
Viga Cajón
Viga
Puentes de Alma Llena
Puentes en Armadura Las armaduras tienen dos ventajas. Los elementos están diseñados a fuerzas axiales y el sistema abierto permite mayores alturas que su equivalente de alma llena. Por ello reducen la cantidad de material y peso propio. Estas ventajas son a expensas del incremento en el costo de fabricación y mantenimiento. Solución económica para tramos intermedios en un rango de 150 a 500 m. La armadura se ha convertido en el sistema de rigidización de puentes colgantes. Se puede construir mediante el ensamblaje de miembros. Estéticamente no es una alternativa agradable. En luces grandes, esto es insignificante por el impacto visual de la gran escala. Para luces intermedias si lo es por ello la armadura tipo Warren es una buena alternativa.
Armadura
Armadura
Esquema Típico
Puentes en Arco El arco es una forma más económica y la eficiencia radica en la reacción del apoyo. Si el sitio es conveniente como una valle esta solución proporciona un costo razonable, ubicando las fundaciones en las rocas. Puede tener altos costos de fabricación y levantamiento. Los problemas de levantamiento varían, siendo más fácil para el arco en volado y posiblemente más difícil para el arco atado. La forma del arco obedece a la carga permanente para eliminar la flexión. Estéticamente es la forma más exitosa, la persona promedio entiende al arco como entendible y expresiva. La forma curva siempre es agradable.
Esquemas de Arcos
Tipos y Luces de Arcos
Arco
Arco
Puentes Atirantado Solución económica por el uso de cables de alta resistencia. Los cables son rectos, por ello más rígidos que el sistema de puente colgante. Los cables se anclan en el tablero, generando compresión en tablero por ello los hechos en concreto armado son ideales por resistir compresión. La longitud de cada cable es menor a la luz del puente, por ello se construyen con cables completos que se llevan a obra y se tensan sin necesidad de ser fabricados (hilados) en obra. Libertad para escoger el arreglo estructural. Es poco eficiente para carga permanente, mejor para carga variable que el puente colgante. Por ello, no es útil en grandes luces, el rango económico está entre los 100 y 350 m. Los cables se pueden colocar en la línea central. Los cables facilitan el levantamiento del puente, construyéndose en volados con contrapesos. No se ha detectado hasta la fecha inestabilidad aerodinámica.
Esquema de Cables y Torres
Luces de Puentes
Luces de Puentes
Atirantado
Atirantado
Puentes Colgantes El principal elemento es el cable que trasmite las cargas a las torres y anclajes. Construido con acero de alta resistencia El tablero se cuelga de los cables por tensores de alta tensión. Lo económico del cable se contrasta con el costo de las torres y los anclajes. Este último puede ser muy alto en terreno de fundación limitado. El cable se rigidiza mediante una cercha o vigas en el tablero. Este sistema sirve para controlar el movimiento aerodinámico y limitar las deformaciones del tablero La altura de la torre es una desventaja en zonas cercanas a aeropuertos. Es la única solución para tramos por encima de los 600 m, y compite en tramos hasta de 300 m. En tramos más cortos se han hecho incluso para pasarelas.
Esquema de Puente Colgante
Luces de Puentes
Colgante
Colgante
Longitudes de tramo para varios tipos de superestructura Tipo de estructura Material El rango de tramo (m) Máximo tramo en Servicio (m) Losa Concreto 0-12 Viga 12-250 240, Hamana-Ko Lane, Acero 30-260 261, Sava I, Atirantado ≤250 235, Maracaibo, 90-850 856, Normandia, Armadura 90-550 550, Quebec 480, Greater New Orleans, Arco 90-300 305, Gladesville, Armadura de acero 240-500 510, New River Gorge Nervios de acero 120-360 365, Port Mann Colgante 300-1400 1991, Akashi Kaikyo, Datos obtenidos estadísticamente para establecer la relación luz y superestructura
Ubicación y elección del Puente
Aspectos a Estudiar Para el proyecto de un puente se requiere estudiar lo siguiente: Localización, tipo de puente adecuado, forma y dimensiones, obras complementarias, obras especiales.
Localización Para la ubicación del puente se debe considerar lo siguiente: sitio (ancho de la depresión, sección desagüe, necesidad de subdivisión), características del subsuelo, propósito (provisional, carretero, ferrocarilero, urbano, viaducto), alineamiento, pendiente longitudinal, rasante, facilidades de construcción y mantenimiento, aspecto estético en relación con el medio ambiente,
Localización lineamiento respecto al cauce de la corriente de agua (preferible perpendicular al puente) y una sección de desagüe suficiente (velocidades bajas). En cruces urbanos la ubicación es forzada por lo que se considera el aspecto estético de la estructura.
Estudios del Sitio de Puente Los estudios a realizar en el sitio de puente son: Estudio topográfico, Proporciona vías de acceso, curvas de nivel y perfiles de la vía. hoya hidrográfica, Proporciona la pendiente del cause, tipo de suelo y cultivos, datos pluviométricos, velocidad de corriente. suelos y geotécnicos Proporciona los parámetros para el diseño de la infraestructura.
Estética de Puentes
Estética de Puentes Principios básicos a considerar en la concepción y el diseño de un puente: forma estructural, integración con el sitio.
Puente Golden Gate
Puente Golden Gate
Puente Golden Gate
Puente Golden Gate
Forma Estructural Proporción Textura Es la justa y armoniosa relación de una parte con otras o con el todo. Asimismo, corresponde a un conjunto ordenado de relaciones matemáticas existentes entre las dimensiones de una forma o de un espacio. Textura Es la sensación física que produce en el tacto humano la superficie de una forma.
Forma Estructural Orden Color Son las relaciones internas de las formas que componen un edificio, de proporciones tales que su conjunto sea armonioso. Color El color se utiliza en su sentido amplio, comprendiendo los del espectro solar, neutros también variaciones tonales y cromáticas
Forma Estructural Luz y sombra Contraste Lo que ilumina los objetos y los hace visibles. Obscuridad de forma especial que produce un cuerpo sobre otro. Contraste Comprende más allá de las oposiciones comúnmente reconocidas.
Forma Estructural Esbeltez Transparencia Delicadeza, finura, elegancia de una cosa. Transparencia Capacidad de dejar atravesar la luz y permitir divisar claramente los objetos a través de su espesor.
Forma Estructural Ritmo Escala Pauta creada entre división e intervalo, entre macizo y vacío. Escala Alude a la manera de percibir el tamaño del objeto comparado con un estándar de referencia o con el de otro objeto.
Integración con el Sitio El puente no debe alterar, debe armonizar, complementar, mejorar etc. el sitio donde va a quedar (paisaje, vista de la ciudad, espacio urbano, ambiente).
Puentes de Manhattan y Brooklyn
Puente de Manhattan
Pittsburgh
Puente Millau
Puente Ganter
Puente Salginatobel
Puente Bixby Creek
Bixby Creek
Integración con el Sitio Valor histórico Importancia en la población
Valor Histórico Firth de Forth
Cargas
Cargas Se deben considerar todas las cargas que se esperan aplicar durante la vida útil del puente. Estas cargas se clasifican en: cargas permanentes, cargas transitorias, cargas laterales, cargas por deformaciones cargas por colisiones.
Cargas Permanentes Todas las cargas originadas por el peso de los elementos de carácter permanente en el puente, tales como: peso de los componentes estructurales y no estructurales de puente (DC), peso del pavimento (DW), peso del terraplén (EV), empuje del suelo (EH).
Cargas Transitorias El automóvil es la carga vehicular más común pero el camión es el que causa los mayores efectos por lo que se realizó un camión de diseño denominado “camión AASHTO”, al cual se consideran varios efectos Camión de diseño, carga de acera. Efectos Fatiga, dinámicos, fuerza centrífuga, fuerza de frenado, multipresencia de vehículos.
Cargas Laterales Estas cargas se aplican en la dirección horizontal y son las siguientes: fuerza del cauce de agua, fuerza del viento, fuerzas sísmicas,
Cargas por Deformación Los cambios en la forma del puente originan fuerzas sobre los elementos, según su origen se clasifican en: temperatura, retracción y acortamiento, asentamientos.
Cargas por Colisión La colisión de las unidades que transitan por el puente debe ser contemplada. Por ejemplo: colisión de buques en las pilas, colisión de vagones de tren, colisión de vehiculos.
Diseño Geométrico
Criterios de Alineamientos La topografía condiciona el alineamiento horizontal de una carretera, en especial los radios de curva y la velocidad de proyecto. La velocidad de proyecto controla la distancia de visibilidad. La longitud mínima de la recta de paso es 800 m.
Criterios de Alineamientos La rectas muy largas presentan inconvenientes. Debe evitarse la localización de un puente en la proximidad de una curva. Cuando sea inevitable, la transición de peralte de la curva no se debe extender hasta el puente. En condición especial de puente curvo, esta debe ser simple.
Criterios de Alineamientos Radios Mínimos: Un alineamiento recto se debe empalmar con una curva de radio mínimo indicado en la tabla. Longitud mínima de la curva 150 m Longitud de la recta (km) Topografía Radios mínimo (m) 0,75 a 2 Llano 700 Mayor a 2 2000 Ondulado 500 1200 Montañoso 350
Criterios de Pendientes La rasante es la línea de referencia que define los alineamientos verticales. Las pendientes máximas están supeditadas a la velocidad de proyecto. Los valores máximos de pendientes son: Velocidad de proyecto (km/h) 50 65 80 95 110 Pendiente máxima (%) 6-8 5-7 4-6 3-6 3-5
Criterios de Pendientes La longitud crítica en pendiente es la que motiva reducciones de velocidad de 25 km/h. Deben evitarse rasantes cuyas pendientes fuertes ocasionen reducciones de más de 25 km/h. La longitudes críticas según la pendiente son: Pendiente de subida (%) 3 4 5 6 7 8 Longitud crítica (m) 500 350 245 200 170 150
Criterios de Pendientes Las rectas del perfil longitudinal deben enlazarse con curvas verticales que proporcionen la visibilidad necesaria, drenaje satisfactorio. Las pendientes no deben ser menores a lo indicado Drenaje longitudinal Pendiente mínima (%) Cuneta sin revestir 0,5 Canal – drenaje 0,4 Cunetas revestidas 0,3 Brocales (rampas, calles)
Intersecciones Las intersecciones pueden ser a nivel o de varios niveles. Los elementos de una intersección a nivel son: Brazo, entrada, salida, ángulo.
Intersecciones a Nivel
Intersecciones Los elementos de una intersección de varios niveles son: Rampas que pueden ser interiores (movimientos a la izquierda) y exteriores (movimientos a la derecha), rama, estructuras denominadas dispositivos.
Intersecciones a Varios Niveles
Trayectorias de curvatura de vehículos
Diseño del Borde de la Calzada El diseño de las curvas de las intersecciones se realiza según la curva del borde de la calzada. El diseño con vehículo P cuando el mayor porcentaje de vehículo lo constituyen los automóviles. El diseño con vehículo SU se aplica a todos los caminos rurales. El diseño con vehículos WB-40 y WB-50 se realiza cuando es muy frecuente del cruce de este tipo de vehículos.
Curva del Borde de la Calzada Vehículo de proyecto P
Curva del Borde de la Calzada Vehículo de proyecto SU
Curva del Borde de la Calzada Vehículo de Proyecto WB40 y WB50
Ejemplos de Puentes
Puente Bixby Creek, EE. UU.
Puente Eads, EE. UU.
Puente Washington, EE. UU.
Puente Hell Gate, EE. UU.
Puente de Brooklyn, EE. UU.
Puente de Manhattan, EE. UU.
Verrazano Narrows, EE. UU.
Puente Williamsburg, EE. UU.
Queensborough, EE. UU.
New Orleans, EE. UU.
Skyway, EE. UU.
Yaquina, EE. UU.
Puente Cincinnati, EE. UU.
Puente Hartman, EE. UU.
Viaducto Starrucca, EE. UU.
Scotswood, Inglaterra
Viaducto Garabit, Francia
Felsenau, Suiza
Swiss Bay, Suiza
Puente Erasmus, Holanda
Great Belt Link, Dinamarca
Story Bridge, Australia
Grey Street, Australia
Bahía de Sydney, Australia
Tasman, Australia
Batman, Australia
Puente Las Américas, Panamá
Runyang, China
Bibliografía Arnal, E. (2000). Lecciones de Puentes. Caracas, Venezuela: s/d. Barker, R. y Puckett, J. (1997). Design of Highway Bridge. EE. UU.: John Wiley & Sons, Inc. Burke Jr., M. (1995). Bridge Aesthetics: World View. Journal of Structural Engineering, 121, 1252-1257. Carciente, J. (1980). Carreteras, estudios y proyecto. Caracas, Venezuela: Ediciones Vega, s.r.l. Herrera, J. (1996). Puentes. Santafé de Bogota: Colombia. Universidad católica de Colombia. Ostrow, S. (1997). Bridges. Nueva York, EE. UU.: Michael Friedman Publishing Group, Inc. Wells, M. (2002). Puentes. Madrid, España: H. Kliczkowski – Onlybooks, S.L.
Bibliografía Wittfoht, H. (1972). Puentes, Ejemplos Internacionales. Barcelona, España: Editorial Gustavo Gili, S.A. Xanthakos, P. (1994). Theory and Design of Bridges. EE. UU.: John Wiley & Sons, Inc.