UNIDAD 1: TIPOLOGÍAS DE LOS PUENTES

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1 UNIDAD 1: TIPOLOGÍAS DE LOS PUENTES

2 Construcción de Puentes 2

3 Tipologías de los puentes ÍNDICE ÍNDICE TIPOS DE LAS OBRAS DE PASO Pasos inferiores Pasos superiores CLASIFICACIÓN DE LOS PUENTES SEGÚN DIVERSOS CRITERIOS Clasificación por función Clasificación por su esquema estructural Clasificación por su situación Clasificación por sus materiales Por su luz libre de claro TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES: PUENTES VIGA, PUENTES PÓRTICO, PUENTES ARCO, PUENTES ATIRANTADOS Y PUENTES COLGANTES. RANGO DE UTILIZACIÓN ACTUAL Puentes o viaductos Puentes de tramo recto Puentes arcos: superestructura superior, intermedio o inferior Puentes extradosados Puentes atirantados, con uno o dos planos de atirantamiento, en forma de arpa; semi-arpa o abanico Puentes colgantes Rango de utilización NORMATIVA DE APLICACIÓN MATERIALES Concreto Aceros para armaduras Armaduras pasivas Armaduras activas Aceros estructurales BIBLIOGRAFIA

4 Construcción de Puentes 1. TIPOS DE LAS OBRAS DE PASO Se denominan obras de paso a los elementos singulares que permiten el paso de una circulación (carretera, ferrocarril, peatones, etc.) sobre un obstáculo natural (río, barranco, vado, etc.) o artificial (carretera, ferrocarril o camino). Las diferentes obras de paso pueden ser clasificadas de acuerdo con diversos criterios. Una de las clasificaciones más utilizadas, y que suele ser la empleada en las obras, es la que hace referencia al tipo estructural y a la situación relativa de la obra respecto de las vialidades. De acuerdo con ella las obras de paso se clasifican en: Pasos Inferiores: o o o Marcos. Pórticos. Bóvedas. Pasos Superiores: o o Superestructuras de concreto. Superestructuras mixtas. Puentes o Viaductos de tramo recto: o o o Superestructuras de concreto. Superestructuras mixtas. Superestructuras metálicas. Puentes Arco. Puentes Extradosados. Puentes Atirantados. Puentes Colgantes. Los Puentes de diversos tipos y los Viaductos se estudiarán en detalle en el tema 3 Tipologías estructurales: puentes viga, puentes pórtico, puentes arco, puentes atirantados y puentes colgantes. Rango de utilización actual. 4

5 Tipologías de los puentes Para poder realizar una correcta descripción de los distintos tipos de obras de fábrica, se definen a continuación una serie de términos utilizados habitualmente: Puente de carretera: de acuerdo con la I. A. P. obras de paso que soportan cualquier tipo de vía definida en la ley de carreteras y en el Reglamento que la desarrolla, como de competencia estatal cuya función sea, por tanto, salvar una discontinuidad en un trazo para permitir el paso del tráfico rodado. A efectos de la D. G. C. son estructuras con luz libre del claro mayor superior a diez metros. La SCT (Secretaria de Comunicaciones y Transportes) considera que puente, es una estructura con una longitud mayor de seis 6 metros. Viaducto: puente de gran longitud y número de claros. Paso Superior: respecto de la vía que se considere se denomina así a la obra de paso por encima de dicha vía. La SCT define, que Paso Superior, es una estructura que se construye en un cruce de la carretera de referencia por encima de otra vialidad y cuyas dimensiones quedan definidas por las características geométricas y rasantes de ambas vialidades. Paso Inferior: respecto de la vía que se considere, se define así a la obra de paso que la soporta. La SCT define, que Paso Inferior, es una estructura que se construye en un cruce de la carretera de referencia por abajo de otra vialidad y cuyas dimensiones quedan definidas por las características geométricas y rasantes de ambas vialidades. Infraestructura de un puente: es la cimentación. Subestructura de un puente: está formada por los estribos, aparatos de apoyo, terraplenes, pilas, etc. Superestructura de un puente: es el tablero de los Puentes más el arco de un Puente Arco, los tirantes y el pilón de un Puente Atirantado o el sistema de cables y los pilones de un Puente Colgante y las juntas, pavimento, pretiles e impermeabilización. Debido a que los Pasos Inferiores y los Pasos Superiores no son objeto de este Curso, pero forman parte habitualmente de las obras de carreteras y ferrocarriles, se describen a continuación brevemente. 5

6 Construcción de Puentes 1.1 Pasos inferiores Son obras de paso que se disponen bajo la plataforma de vialidad, de carretera o ferrocarril, para permitir habitualmente el cruce de algún pequeño cauce o camino y de forma menos frecuente de alguna carretera, ramal de autopista o ramal de ferrocarril. Este cruce puede producirse tanto perpendicularmente entre las vialidades superior e inferior o también de forma esviada. En general el trazo en planta de las vialidades en la zona de cruce suele ser recto, por razones prácticas y económicas, pero no existen razones técnicas que impidan diseñar este tipo de obra con trazo en planta curvos. Existen varias soluciones dentro de esta tipología: Marcos Son obras de paso en las que su diseño estructural responde a la necesidad de transmitir cargas pequeñas al terreno, ya que se sitúan en zonas geotécnicamente de baja capacidad de carga. Se construye en concreto armado, tanto mediante su ejecución in situ como prefabricada. Se compone de una losa apoyada en el terreno, muros en los laterales y una losa superior de cubierta. Sobre esta losa puede existir un relleno de tierras o apoyar directamente el firme de la carretera o la superestructura. La obra del marco se completa con muros tipo aleros a la salida del mismo en ambos extremos y lados para contener las tierras y evitar que invadan la vialidad inferior. El rango habitual de la luz de estas obras es hasta 10 metros y de forma excepcional hasta los 13 metros. Las obras tipo marco se emplean habitualmente para diseñar obras de drenaje, pero comúnmente en estos casos sus luces son pequeñas, es decir menores a los 6 metros que se consideran como menor luz de una obra de paso. 6

7 Tipologías de los puentes Figura 1. Pórtico. Circunvalación La Rioja Fuente: Proes, Consultores. Figura 2. Marco. N-1, Ventas de Irún Fuente: Prefabricados Lemona. 7

8 Construcción de Puentes Pórticos Se trata de estructuras situadas en zonas donde el terreno es de alta capacidad de carga, desde el punto de vista geotécnico, lo que permite reemplazar la losa por cimentaciones base de zapatas. También se construye en concreto armado, tanto mediante su ejecución in situ como prefabricada. El uso de los prefabricados permite realizar las obras sin requerir cimbras, que pueden afectar por ejemplo al tráfico existente. Se compone de muros en los laterales, cimentados en zapatas y una losa superior. Al igual que en los marcos, sobre esta losa puede existir un relleno de tierras o apoyar directamente el firme de la carretera o la superestructura. En casos poco frecuentes, puede cimentarse este tipo de estructura sobre losas de cimentación pilotados que reemplazan a las zapatas. Es decir que también se utiliza esta solución cuando el terreno de cimentación no admite ningún tipo de cimentación superficial. Al igual que con los marcos los pórticos se completan con aleros o muros para evitar que las tierras invadan las vialidades inferiores o el cauce. En este caso el rango habitual de sus luces alcanzan los 15 metros y su utilización es posible hasta los 20 metros. Existe una configuración del cruce entre las vialidades que requiere una solución particular de este tipo de estructuras, cuando se cruzan formando un ángulo muy agudo, el pórtico resultante se denomina pérgola. Esta presenta la singularidad de que frecuentemente el dintel no cubre totalmente el espacio entre hastiales, sino que sólo es continuo bajo la superficie ocupada por la vialidad superior, mientras que el resto de la superficie sólo existe parcialmente. En México este tipo de arreglo no es de uso común. 8

9 Tipologías de los puentes Figura 3. Pérgola. Fuente: Proes, Consultores (Cruce calzadas A-6) Bóvedas Estas estructuras son similares a los marcos y pórticos, ya que existen tanto con soleras como con zapatas, pero se diferencian de éstas en la forma, dado que los muros y la losa de cubierta se transforman en una lámina continua de geometría curva. Esto le permite admitir las acciones de importantes rellenos de tierras sobre ellas de forma más eficiente que las estructuras de losa plana, trabajando básicamente a compresión. Figura 4. Bóveda. Fuente: Prefabricados Lemona. 9

10 Construcción de Puentes En general se suelen utilizar módulos prefabricados de concreto armado para su construcción, pudiéndose construir también in situ, lo cual es poco frecuente. Sin embargo, es habitual que se construyan las cimentaciones in situ y que el resto de la obra sea prefabricado. Las soluciones de aleros son similares a las de los pórticos. El rango habitual de su empleo llega a los 13 metros y su empleo se extiende hasta los 15 metros de luz. 1.2 Pasos superiores Son obras de paso que se disponen sobre la plataforma de una vialidad, de carretera o ferrocarril, para permitir el cruce de caminos, carreteras, ramales de autopista o ramales de ferrocarril. Este cruce puede producirse tanto perpendicularmente entre las vialidades superior e inferior o también de forma esviada. En general el trazado en planta de las vialidades en la zona de cruce suele ser recto, por razones prácticas y económicas, pero no existen razones técnicas que impidan diseñar este tipo de obra con trazados en planta curvos, como por ejemplo se produce en los casos en que se disponen pasos superiores conformando parte de una glorieta. La superestructura de un paso superior está formada por un tablero sobre el que discurre la vialidad superior. Este puede tener un solo claro o varios, y en este último caso pueden ser claros simples o continuos. Si el paso tiene un solo claro la subestructura en que se apoya la superestructura en sus extremos está formada por sendos estribos, mientras que si tiene varios claros además de estos estribos tiene una serie de apoyos intermedios, denominados pilas. La tipología de los estribos y pilas puede ser muy diversa en función de una serie de condicionantes que presenta cada estructura, y la cimentación de estos elementos puede ser tanto superficial, mediante zapatas, como profunda mediante pilotes, dependiendo de las características geotécnicas del lugar en que se sitúe la obra. Las superestructuras pueden ser diseñadas tanto de concreto armado, concreto pretensado o postesado o mixtas: concreto armado + acero estructural. Debido a la similitud de las soluciones empleadas en estas estructuras y en los puentes de la misma tipología se detallarán en la Unidad 3 estos tipos de superestructuras y sus rangos de utilización. 10

11 Tipologías de los puentes Figura 5. Paso Superior de superestructura de concreto. Fuente: Proes, Consultores (Circunvalación La Rioja). Figura 6. Paso Superior de superestructura de concreto. Fuente: Proes, Consultores (Radial R-4). 11

12 Construcción de Puentes 2. CLASIFICACIÓN DE LOS PUENTES SEGÚN DIVERSOS CRITERIOS Existen una serie de posibles clasificaciones de los puentes de acuerdo con diferentes criterios. Las más importantes son las siguientes: 1. Por su función. 2. Por su esquema estructural. 3. Por su situación. 4. Por sus materiales. 5. Por su luz libre de claro. A continuación se describen cada una de ellas brevemente: 2.1 Clasificación por función Un primer criterio seria el clasificar en función del tipo de circulación que permite la obra: Tráfico rodado (autopistas, carreteras, caminos, etc.): puentes de carretera. Ferrocarril: puentes de ferrocarril. Peatones: pasarelas. Fluidos: acueductos. Otros (ganado, fauna, etc.): paso de fauna. Otro criterio sería realizar la clasificación en función del tipo de obstáculo que permite salvar la obra: Tráfico rodado (autopista, carretera o camino). Ferrocarril. Cauces naturales (ríos, arroyos, etc.) o artificiales (embalses, canales, etc.). Irregularidades del terreno (barrancos, vaguadas, etc.). 12

13 Tipologías de los puentes El último de estos criterios sería clasificarlos dependiendo de la continuidad de su función: Circulación permanente. Circulación ininterrumpida (levadizos, giratorios, etc.). Circulación provisional (obras para dar servicio a desvíos temporales). 2.2 Clasificación por su esquema estructural Esta clasificación se realiza teniendo en cuenta el funcionamiento estructural de los puentes y existen dos tipos: estructuras isostáticas y estructuras hiperestáticas. Las estructuras isostáticas son aquellas en que sus esfuerzos quedan determinados solamente por las condiciones de equilibrio. Pueden ser superestructuras de un claro o de múltiples claros isostáticos, como frecuentemente ocurre con las superestructuras de vigas prefabricadas en las que se disponen juntas entre cada claro. Las estructuras hiperestáticas son aquellas en que para obtener los esfuerzos es necesario además del equilibrio cumplir las ecuaciones de compatibilidad. Una superestructura hiperestática aumenta la seguridad del puente porque no se produce el derrumbe cuando falla una sección, ya que éste no alcanza las condiciones de un mecanismo. Este tipo de estructuras tienen dos o más claros. Presentan la ventaja, para el tráfico, de no tener juntas en una gran longitud, pero son más sensibles a los posibles asentamientos de sus apoyos. 2.3 Clasificación por su situación Ya se ha comentado en el tema anterior que esta es la clasificación más utilizada, pero no es la única. Pasos Inferiores. Pasos Superiores. Puentes y Viaductos. 13

14 Construcción de Puentes 2.4 Clasificación por sus materiales La clasificación por sus materiales se refiere en general al de las superestructuras, por lo que habitualmente responde a lo siguiente: Puentes de concreto armado. Puentes de concreto pretensado. Puentes metálicos. Puentes mixtos. También existen otros tipos, que no son motivo de este Curso, en esta clasificación: Puentes de mampostería. Puentes de ladrillo. Puentes de madera. 2.5 Por su luz libre de claro Se denomina luz a la distancia horizontal entre dos apoyos consecutivos de una obra de paso, por tanto la clasificación según este criterio es la siguiente: Tajeas: con una luz menor o igual a un metro. Alcantarillas u obra menor: toda aquella estructura con un claro menor a 6 metros. Pontones: con una luz entre tres y diez metros. Puentes: con luces mayores de seis metros. 14

15 Tipologías de los puentes 3. TIPOLOGÍAS ESTRUCTURALES: PUENTES VIGA, PUENTES PÓRTICO, PUENTES ARCO, PUENTES ATIRANTADOS Y PUENTES COLGANTES. RANGO DE UTILIZACIÓN ACTUAL 3.1 Puentes o viaductos Son obras de paso que se disponen para permitir que una vialidad pueda salvar obstáculos naturales (por ejemplo cauces, vados, valles, etc.) o de cualquier otro tipo (cruce con otras vialidades), de forma de dar continuidad al mismo. La diferencia entre puentes y viaductos, es que el segundo es un puente de gran longitud y de un número muy grande de claros. De acuerdo a la SCT, un puente, es aquella estructura con longitud mayor de 6 metros, que se construye sobre corrientes o cuerpos de agua y cuyas dimensiones quedan definidas por razones hidráulicas. Mientras que un viaducto- es una estructura que se construye sobre- barrancas, zonas urbanas u otros obstáculos y cuyas dimensiones quedan definidas por razones geométricas, dependiendo principalmente de la rasante de la vialidad y del tipo de obstáculo que cruce. En general la zona en que discurre puede presentar un trazo en planta y alzado de cualquier tipo, salvo en algunos casos en que la técnica aplicada a su construcción restrinja esta situación, como por ejemplo sucede en los puentes construidos mediante empuje de su superestructura (lanzados). La superestructura de los puentes y viaductos está conformada por una superestructuras sobre la que discurre la vialidad superior, éste puede tener un solo claro o varios, y en este último caso pueden ser claros simples (estructura isostática) o continuos (estructura hiperestática). Al igual que lo indicado para los pasos superiores la subestructura se compone de dos estribos cuando es de un claro y de éstos más pilas intermedias cuando tiene más de un claro. De forma similar a los pasos superiores, la tipología de los estribos y pilas puede ser muy diversa. Las características de estos elementos se detallan en la Unidad 2. 15

16 Construcción de Puentes 3.2 Puentes de tramo recto En general puede decirse que los puentes de tramo recto son aquellos en que la superestructura consta de un solo elemento, que proporciona a la vez la resistencia y la superficie funcional. A este elemento básicamente horizontal y habitualmente recto se le suele denominar tablero. Dependiendo del tipo de conexión entre el tablero y las pilas se pueden clasificar en dos subgrupos: puentes pórtico, aquellos en que las pilas se unen rígidamente al tablero sin solución de continuidad (actualmente solución poco utilizados), y puentes viga, donde el tablero se apoya en las pilas y estribos mediante aparatos de apoyo. Se describen con más detalle los puentes correspondientes a los denominados puentes viga. En estas estructuras las superestructuras pueden ser diseñados tanto de concreto armado, concreto pretensado o postesado, metálicos (acero estructural) o mixtos: concreto armado + acero estructural. A continuación se describen las características principales de las distintas superestructuras: superestructuras de concreto: vigas, losas, nervados y cajones Las superestructuras de vigas suelen ser prefabricados, y generalmente se trata de elementos pretensados. Existen diversos tipos de vigas, las más frecuentes son las denominadas vigas de sección doble T y de sección tipo artesa. Es habitual que en el caso de las vigas doble T se dispongan varias de ellas uniéndolas mediante una losa superior de concreto armado ejecutada in situ, mientras que para las de tipo artesa pueden disponerse una o varias de ellas y también se las construye ejecutando una losa superior in situ. Generalmente se utilizan placas de cimbra perdida o colaborante en la construcción de la losa in situ. Su construcción no requiere cimbrar la superestructura, lo que permite poder ejecutar las obras sobre vialidades existentes, con mínimas afectaciones a los mismos. La solución es aplicable tanto a claros simples como continuos, en este último caso se logra la continuidad a través de la losa superior ejecutada in situ, mejorando tanto funcionalmente como estructuralmente el comportamiento de la estructura al reducir el número de juntas dispuestas en la vialidad. El rango de luces óptimo para un claro, de este tipo de superestructura de vigas está entre 15 y 40 metros, pudiendo alcanzarse los 45 metros. Para claros de menor longitud pueden utilizarse vigas de sección invertida, que simulan una losa. 16

17 Tipologías de los puentes SECCIÓN DOBLE T SECCIÓN SECCIÓN V SECCIÓN T INVERTIDA SECCIÓN U SECCIÓN RECTANGULAR Figura 7. Secciones tipo Superestructuras de vigas En México la ejecución de puentes mediante vigas utiliza otro tipo de geometrías como las vigas tipo AASHTO, tipo UN (o tipo Nebraska), la cuales se utilizan mediante sistemas de presforzado o postensado. 17

18 Construcción de Puentes Figura 8. Paso superior de vigas artesas. Figura 9. Viaducto Vigas doble T. Fuente: Payma-Cotas (variante del Molar). 18

19 Tipologías de los puentes Las superestructuras de sección tipo losa son generalmente una solución constructiva más flexible ya que permiten adaptarse a los condicionantes del trazo y además debido a su mayor esbeltez también solucionan problemas de gálibo vertical. Habitualmente son construidos in situ, lo que permite que estructuralmente se proyecten como estructuras continuas. Las dos tipologías más comunes son la de superestructura maciza o aligerada. También pueden proyectarse con voladizos laterales o sin ellos, así como con uno o más núcleos. Estas estructuras requieren de cimbra para su construcción, lo que implica afecciones a las vialidades que pudieran existir bajo los mismos. En este caso el rango de luces, para un claro, de este tipo de superestructura de losas cuando son de concreto armado alcanza los 18 metros, mientras que cuando se trata de losas de concreto postesado se alcanzan los 45 metros. La solución de losa nervada es en realidad una simplificación de las soluciones de losa aligerada, en las cuales el aligeramiento interior se convierte en una reducción localizada del espesor de la losa, quedando al descubierto los nervios o vigas longitudinales que junto con la losa superior conforman la superestructura. Se los suele denominar también superestructura con sección en Pi. Este tipo de superestructura nervada, generalmente es también postesada, por lo que el rango óptimo de utilización se sitúa entre los 30 y 40 metros, aunque puede alcanzar los 45 metros. Su utilización ha ido decreciendo en el tiempo, porque frente a la solución tipo losa resulta ser más laboriosos de construir y desde el punto de vista estructural su sección es menos eficaz, especialmente frente a acciones que producen torsiones en la superestructura. 19

20 Construcción de Puentes CON VOLADIZOS SIN VOLADIZOS MONONUCLEADA BINUCLEADA MACIZA ALIGERADA ALIG. CIRCULAR ALIG. POLIGONAL NERVADA LISA Figura 10. Secciones tipo Superestructura tipo Losa. 20

21 Tipologías de los puentes Figura 11. Viaducto de Superestructura tipo losa. Fuente: Proes, Consultores (Viaducto en Algeciras). Por último la solución con sección tipo cajón, puede presentar una o más celdas, está formada por una losa inferior, dos almas laterales generalmente algo inclinadas respecto a la vertical y una losa superior que se prolonga en voladizo por fuera de la propia sección del cajón. Este tipo de solución se aplica, dado que su canto tiene ya una cierta importancia por razones constructivas, para cubrir el rango mayor de luces de claros. Para optimizar su comportamiento estructural en algunos casos la sección del cajón presenta un canto variable, mayor sobre los apoyos intermedios, en pilas. El rango óptimo de utilización cuando la sección es de canto constante es de 35 a 80 metros, alcanzando luces mayores hasta 200 metros, cuando se trata de soluciones con canto variable. En realidad en este tipo de estructuras el rango habitual de utilización depende del método constructivo utilizado. 21

22 Construcción de Puentes MONONÚCLEO BINÚCLEO BICELULAR TRICELULAR Figura 12. Secciones tipo de Superestructuras Cajón. Figura 13. Viaductos de superestructura tipo cajón. Fuente: Proes, Consultores (Viaducto de Monterrey) Superestructuras mixtas Las estructuras mixtas añaden a las ventajas de las estructuras prefabricadas las de un peso propio reducido y unos cantos que pueden ser inferiores a los de soluciones análogas en concreto. Estas ventajas hacen que cada día sea más frecuente su utilización debido a su rapidez de ejecución. Esto es muy conveniente si se interfieren tráficos existentes y al reducido peso propio de la estructura en caso de terrenos de baja capacidad de carga. Una desventaja es que requieren un mantenimiento para asegurar la protección contra la corrosión con lo cual 22

23 Tipologías de los puentes su costo conjunto de ejecución más mantenimiento suele ser superior al de las estructuras de concreto. Las dos tipologías más habituales de superestructura constan de vigas doble T metálicas o la solución con uno o más cajones metálicos con losa superior de concreto armado. El rango habitual de las luces para su utilización está entre los 30 y 70 m para las superestructuras de tipo cajón y para los de tipo viga se encuentra entre 20 y 60 metros. Existen diferentes tipos de soluciones para construir superestructuras utilizando como material el concreto, combinándolo con acero de refuerzo o con armaduras de pretensado. Figura 14. Puente con superestructura mixta. Fuente: Proes, Consultores (Puente Bras de la Plaine). Figura 15. Puente con superestructura mixta. Fuente: Carlos Fdez. Casado, SL (Puente de Arriondas). 23

24 Construcción de Puentes Superestructuras metálicas Las superestructuras metálicas pueden ser de vigas de alma llena o de celosías. Es una tipología utilizada más frecuentemente en épocas pasadas en puentes de ferrocarril de luces medias. Los de celosía responden a un comportamiento estructural en que todos sus elementos están sometidos a esfuerzos axiles, lo que optimiza el uso de los materiales y por tanto su costo, mientras que la solución de vigas de alma llena es en ese sentido menos eficaz y relativamente más cara. Ambas soluciones se completan con la disposición de una losa superior que generalmente se construye en concreto armado, pero en algunos casos se resuelve con un entramado metálico y chapas (losa acero) para conformar la superficie de rodadura o de soporte para la superestructura de la vialidad. El rango de utilización de este tipo de soluciones es de hasta 300 metros para vigas metálicas de alma llena y se extiende hasta superar los 500 en el caso de los de celosía. Figura 16. Viaductos de superestructurasmetálicas. Fuente: Proes, Consultores (Embalse de Rules y Autopista Granada-Motril). 3.3 Puentes arcos: superestructura superior, intermedio o inferior Este tipo de puentes tiene como estructura de apoyo un arco, generalmente resuelto mediante una sección de concreto armado, ya que su diseño responde al de una pieza con compresiones predominantes. Por lo tanto la superestructura se apoya en este arco. La forma 24

25 Tipologías de los puentes en que se sitúa la superestructura respecto al arco define en parte al mismo, ya que si se coloca sobre el arco la superestructura, éste se apoya en él mediante una serie de pilares intermedios que se denominan montantes y la solución se designa como de superestructura superior. Si la superestructura se dispone bajo el arco, entonces el apoyo de éste sobre el primero se realiza mediante una serie de cables, y se designa como de superestructura inferior. También existe la posibilidad de que la posición de la superestructura sea intermedia, quedando en parte apoyado (cerca de los arranques del arco) y colgado en la parte central (zona de clave del arco). Esta solución sólo es aplicable cuando las características del terreno permiten cimentar el arco de forma que los importantes esfuerzos horizontales que este transmite sean admisibles. Por esta razón es una solución habitualmente empleada en cruce de valles de zonas montañosas con laderas rocosas y en zonas con agua. Figura 17. Puente Arco superestructura superior. superestructura inferior. Figura 18. Puente Arco Fuente: Proes, Consultores. En zonas llanas, pueden ser utilizados pero requieren un atirantamiento, que se suele disponer a nivel de la superestructura. Las superestructuras de este tipo de solución suelen ser realizados con concreto postesado. El rango de utilización óptimo se encuentra entre los 60 y los 200 metros, pero pueden utilizarse desde 30 a 300 metros. 25

26 Construcción de Puentes 3.4 Puentes extradosados Los puentes extradosados corresponden a una tipología que se ha empezado a utilizar en los últimos tiempos. Se trata de una solución que tiene la apariencia de los puentes atirantados, pero en realidad tienen un comportamiento estructural diferente. Se diferencian en que la altura de los pilones es menor y el canto de las superestructuras también. Figura 19. Puente Extradosado. Fuente: Structurae (Odawara Blueway- Japón). Figura 20. Puente Extradosado. Fuente: Dywidag Sistemas Constructivos (Matakina - Japón). 26

27 Tipologías de los puentes 3.5 Puentes atirantados, con uno o dos planos de atirantamiento, en forma de arpa; semi-arpa o abanico Los puentes atirantados surgen con la necesidad de salvar una gran luz motivada por la imposibilidad, por razones geotécnicas o por la naturaleza de los obstáculos naturales, de disponer apoyos intermedios que permitieran aplicar otras soluciones. Originalmente se intentó que los tirantes conformaran una serie de apoyos rígidos, similares a los pilares que sustituyen, separados por grandes distancias, ya que esto permite que las superestructuras sean similares a las de las otras soluciones sobre pilas. Actualmente la solución ha ido evolucionando y se dispone de una red de tirantes con pequeña separación entre los mismos, lo que permite reducir la rigidez de las superestructuras, ya que estructuralmente el mismo se comporta como una viga apoyada elásticamente de forma continua. Figura 21. Puentes atirantados (Dos planos de tirantes). Fuente: Proes, Consultores (As Pontes) (Rande). Esta tipología admite una gran variedad de soluciones, debido a que la superestructura puede ser sustentada por un único plano de tirantes, habitualmente dispuesto en el centro de la superestructura, o por dos planos de atirantamiento colocados uno a cada lado de la superestructura. Por otra parte la forma en que se disponen los cables de atirantamiento desde la superestructura hasta el pilón da lugar a diversas formas, que de forma simplificada podemos decir que responden a tres situaciones: forma de arpa en que los cables se disponen paralelos 27

28 Construcción de Puentes unos a otros, forma de semi-arpa donde los tirantes se disponen casi paralelos entre sí y finalmente en forma de abanico en que los cables concurren a una zona del pilón. Figura 22. Puente atirantado (Un planos de tirantes). Fuente: Proes, Consultores (Viaducto de Milau). El rango de utilización de esta tipología de puentes oscila entre los 100 metros y los 425 metros. 3.6 Puentes colgantes Los puentes colgantes se caracterizan porque sus superestructuras se encuentran suspendidas de un sistema de cables. En general cuentan con tres claros, donde el claro central se encuentra suspendido y ambos laterales pueden estar suspendidos o no según la longitud de sus claros. La superestructura tiene un comportamiento similar al indicado en los puentes atirantados que se construyen actualmente, en lo referente a su comportamiento como viga elástica. El elemento básico de un puente colgante es el sistema de cables portantes, que pasan sobre los pilones y se anclan en macizos extremos, que generalmente son de concreto. El sistema de sustentación se completa con los elementos de conexión entre superestructura y cables portantes, que se denomina péndolas y se resuelve habitualmente con cables. Los puentes colgantes se utilizan para salvar grandes luces, comprendidas entre los 600 y m. 28

29 Tipologías de los puentes Figura 23. Puente Colgante de Vizcaya. Fuente: Proes, Consultores. Figura 24. Puente Colgante de Amposta. Fuente: Proes, Consultores. 3.7 Rango de utilización Las distintas obras de paso tienen unos rangos de luces de aplicación, tanto por razones técnicas como por razones económicas, los cuales pueden verse en el gráfico adjunto. En este gráfico se indican rangos de luces habituales en estructuras de concreto, debiéndose tener en cuenta que en el caso de estructuras mixtas y de acero las luces correspondientes resultan algo mayores porque este tipo de estructuras tiene un peso propio considerablemente menor a las de concreto. 29

30 Construcción de Puentes El gráfico adjunto de Rangos de utilización está extraído de la Publicación Obras de paso de nueva construcción publicación española. 30

31 Tipologías de los puentes 4. NORMATIVA DE APLICACIÓN Para la ejecución de puentes existe una serie de normativas de obligado cumplimiento así como también una serie de recomendaciones que son de conveniente aplicación, aunque no de obligado cumplimiento. Una parte de la normativa y recomendaciones se encuentra en documentos que regulan también el proyecto de estas estructuras. Para llevar a cabo el diseño y construcción de puentes, en México se emplean comúnmente las siguientes especificaciones: a. Secretaría de Comunicaciones y Transportes, Normas Técnicas para el proyecto de puentes carreteros, México secretaría de comunicaciones y transportes, normas técnicas para el proyecto de puentes carreteros, México, D.F., b. Standard specifications for highway bridges de la American association of state highway bridges (AASHTO), Washington, 2004.se publica cada cuatro años. c. Prácticas recomendadas para el diseño de puentes de ferrocarril promulgadas por American Railroad Engineering Association (área), Washington, editadas en hojas sueltas, se mantienen actualizadas con una emisión anual. d. Normativa SCT, México, D.F e. Para estructuras no usuales (claros mayores a 150m) se efectúan estudios especiales. A continuación se relaciona la normativa y las recomendaciones más importantes: EHE-08 Instrucción de concreto Estructural : Esta normativa de obligado cumplimiento incluye las bases de proyecto para el cálculo y dimensionado de las estructuras, las propiedades tecnológicas de los materiales, las condiciones de durabilidad de los mismos, las condiciones de ejecución de las obras, el control de las mismas y el control de calidad de los materiales. 31

32 Construcción de Puentes IAP Instrucción de acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera : Esta normativa de obligado cumplimiento define las acciones a considerar en el proyecto de los puentes de carretera, como por ejemplo las sobrecargas de tráfico, las acciones térmicas, la acción del viento, etc. IAPF-07 Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril : Esta normativa de obligado cumplimiento define las acciones a considerar en el proyecto de los puentes de ferrocarril, como por ejemplo las sobrecargas de los trenes, las acciones térmicas, la acción del viento, etc. NCSP-07 Norma de construcción sismorresistente: puentes : Esta normativa de obligado cumplimiento define las acciones sísmicas de acuerdo con la situación geográfica y la importancia de la obra de paso, también incluye una serie de aspectos constructivos que deben ser considerados en zonas de sismicidad alta. RPM-95 Recomendaciones para el proyecto de puentes metálicos para carreteras : Esta recomendación es de obligada consideración. En ella se incluye las bases de proyecto para el cálculo y dimensionado de las estructuras metálicas, las propiedades tecnológicas de los materiales y elementos de unión (Tornillos, tuercas y arandelas) y soldaduras, las condiciones de durabilidad de los mismos, las condiciones de ejecución de las obras, el control de las mismas, el control de calidad de los materiales y soldaduras. RPX-95 Recomendaciones para el proyecto de puentes mixtos para carreteras : Esta recomendación es de obligada consideración. En ella se incluye las bases de proyecto para el cálculo y dimensionado de las estructuras mixtas de concreto - acero, las propiedades tecnológicas de los materiales y elementos de unión (Tornillos, tuercas y arandelas) y soldaduras, el dimensionado de la conexión acero- concreto, las condiciones de durabilidad de 32

33 Tipologías de los puentes los materiales, las condiciones de ejecución de las obras, el control de las mismas, el control de calidad de los materiales y las soldaduras. Guía de cimentaciones en obras de carretera : Este documento describe una serie de reglas de buena práctica que conviene tener en cuenta en el diseño, construcción y conservación de cimentaciones de obras de carretera. Lo especificado en esta publicación no es de obligado cumplimiento. Criterios a tener en cuenta en el proyecto y construcción de puentes con elementos prefabricados de concreto estructural : Este documento describe una serie de reglas de buena práctica que conviene tener en cuenta en el diseño, construcción y conservación de puentes de carretera ejecutados con vigas prefabricadas. Lo especificado en esta publicación no es de obligado cumplimiento. Instrucciones complementarias para la utilización de elementos auxiliares de obra en la construcción de puentes de carretera : Esta Orden Ministerial entró en vigor el 27 de Diciembre de 2007, y en ella se señala la obligatoriedad de que en cualquier medio auxiliar (por ejemplo cimbras, autocimbras) que se utilice en la construcción de un Puente, el contratista adjudicatario de la obra deberá redactar un proyecto específico completo para su utilización, que será visado en el Colegio profesional correspondiente. Se deberán incluir los cálculos, planos de definición y manual con procedimiento de primer montaje, y si corresponde un manual de movimiento o de colado, de desmontaje, requisitos de materiales y procedimiento para el control de recepción. Nota técnica para el desarrollo de los artículos de la Instrucción de concreto estructural relativos al control de la ejecución de puentes : En esta nota la Dirección General de Carreteras desarrolla lo establecido por la anterior EHE en los distintos aspectos del control de ejecución intenso de los puentes. Incluye las bases generales del control (control de producción, control de recepción, plan de control 33

34 Construcción de Puentes particularizado a cada puente, control por actividades y por elemento estructural, y el registro documental necesario) y particulariza para el caso de los puentes de carretera los artículos de la anterior EHE referidos a control de ejecución. Recomendaciones para la realización de pruebas de carga de recepción en puentes de carretera : En este documento se define la metodología a seguir para realizar la preceptiva prueba de carga de los puentes de carretera. Incluye recomendaciones para la preparación, realización y posterior análisis de los resultados de la prueba (definiendo el rango de los valores que pueden considerarse correctos). Recomendaciones para el proyecto y puesta en obra de los apoyos de elastoméricos para puentes de carreteras : En estas recomendaciones se definen los tipos de apoyos, se indica la forma de dimensionar los mismos y las condiciones para su puesta en obra. 34

35 Tipologías de los puentes 5. MATERIALES Los materiales predominantes en la construcción de puentes son para las diferentes partes de la estructura: Superestructuras: concreto armado, concreto pretensado y acero estructural más concreto (mixtas) o acero estructural (metálicas). Pilas, estribos y cimentaciones: concreto armado. Todo lo referente a materiales utilizados en México se puede consultar en la Normativa Para la Infraestructura del Transporte de la SCT, en la Norma Características de los Materiales (N- CMT), que entre otras cosas contiene los requisitos de calidad que deben de cumplir los materiales. Materiales para mampostería N-CMT-2-01 Materiales para concreto hidráulico N-CMT-2-02 Acero y productos de acero N-CMT-2-03 Soldadura N-CMT-2-04 Pintura para recubrimiento de estructuras N-CMT-2-07 Placas y apoyos integrales de neopreno N-CMT-2-08 Apoyos especiales para puentes N-CMT Concreto El concreto constituye una piedra artificial. Se fabrica con la mezcla de materiales inertes (agregados gruesos y finos), de materiales cementícios (cementos) y de agua, a los que se agregan otros elementos aditivos para mejorar su comportamiento en alguna de sus características. Se tipifican de acuerdo con el siguiente formato que debe reflejarse en los planos y en el pliego de prescripciones técnicas particulares según el artículo de la EHE-08: T R / C / TM / A Dónde: 35

36 Construcción de Puentes T: indicativo que será: HL: concreto de limpieza. HM: concreto en masa. HA: concreto armado. HP: concreto pretensado. R: Resistencia característica especificada en N/mm 2, corresponde a la resistencia a compresión a los 28 días fck. La serie recomendada es la siguiente: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70,80, 90 o 100. La resistencia de 20 N/mm 2 sólo es utilizable en concretos en masa. C: Letra inicial del tipo de consistencia del concreto. Conforme al artículo de la EHE-08 puede ser: S: seca (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 0 y 2 cm) P: plástica (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 3 y 5 cm) B: blanda (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 6 y 9 cm) F: fluida (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 10 y 15 cm), L: líquida (asentamiento en ensayo de consistencia del cono de Abrams entre 16 y 20 cm) TM: Tamaño máximo del agregado en milímetros, definido en el artículo 28.3 de la EHE-08. El tamaño máximo de un agregado grueso está limitado por la dimensión mínima de la pieza o la distancia horizontal libre entre vainas o armaduras. 36

37 Tipologías de los puentes A: Designación del tipo de ambiente, de acuerdo con el artículo de la EHE.-08 Existen dos tipos de clases de ambiente la clase general de exposición, que se debe definir siempre y la clase específica que sólo se indica cuando corresponde. Para las cimentaciones la clase general de exposición más habitual es la IIa, si existe agresividad química del terreno debe incluirse en la denominación la clase específica Qa, Qb o Qc según el grado de ataque químico que se pueda producir, por ejemplo la designación sería IIa + Qb. Para los alzados de pilas y estribos y para las superestructuras de los puentes la clase de exposición general o el tipo de ambiente normal suele ser IIa (humedad alta), para zonas con precipitaciones media anual superior a 600 mm. y IIb (humedad media) en donde la precipitación media anual es inferior a 600 mm. En zonas situadas en las proximidades de las líneas costeras, a menos de 5 km, la clase de exposición que corresponde es la IIIa (ambiente marino aéreo). Cuando existen elementos sumergidos permanentemente por debajo del nivel mínimo del mar la clase general de exposición es la III b (ambiente marino sumergido). En el caso de que los elementos puedan estar sometidos al contacto con sales de deshielo (utilizadas comúnmente en zonas de alta montaña) la clase específica de exposición es la H (ataque hielo deshielo) y en el caso particular de las superestructuras es la F (ataque por sales fundentes). Ejemplos de tipificación de concretos: Concreto de limpieza: HL 15 / B 20 Cimentaciones: Alzados pilas o estribos: HA 25 / P 25 IIa + Qa HA 25 / B 20 IIb Superestructuras de concreto armado: HA 30 / F 20 IIa + F Superestructuras de concreto pretensado: HP 35 / F 18 IIIb 37

38 Construcción de Puentes El concreto deberá ser tal que además asegure el cumplimiento de los requisitos de durabilidad (contenidos mínimos de cemento y relación agua cemento máxima) correspondientes al ambiente del elemento estructural de acuerdo al artículo 37.3 de la EHE-08. En las siguientes tablas extraídas de la Instrucción EHE-08 se indica que el tipo de ambiente determina una resistencia característica mínima, por ejemplo para el ambiente marino tipo IIIa no pueden utilizarse concretos de resistencia inferior a 30 MPa, y la relación máxima de agua cemento. 38

39 Tipologías de los puentes 39

40 Construcción de Puentes 5.2 Aceros para armaduras Los aceros utilizados en la construcción de puentes de concreto son de dos tipos. Las denominadas armaduras pasivas que son elementos del tipo barras corrugadas, que se disponen en el concreto y actúan conjuntamente con él por simple adherencia superficial. En cambio se denominan armaduras activas a las de acero de alta resistencia mediante las cuales se introduce la fuerza del pretensado en los elementos de concreto. 5.3 Armaduras pasivas Las armaduras pasivas son habitualmente de acero tipo B500 S, y pueden estar constituidas por barras corrugas o mallas electrosoldadas, los diámetros nominales en milímetros de las barras corrugadas se ajustan a la siguiente serie: y 40 Las características mecánicas vienen definidas en el artículo 32 de la EHE-08. El límite elástico de este tipo de acero es de 500 N/mm 2 y la carga unitaria de rotura es de 550 N/mm Armaduras activas Los elementos constituyentes son alambres, barras o cordones. Los alambres son productos de sección maciza procedentes de un estirado en frío y que habitualmente se suministra en rollos. Las barras son un producto de sección maciza que se suministra sólo en forma de elemento rectilíneo. Los cordones de siete alambres son el conjunto formado por seis alambres de igual diámetro nominal enrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central recto. En los elementos en que las armaduras activas son pretensadas, es decir que se introduce la fuera de tesado antes de que el concreto endurezca, por ejemplo en las vigas prefabricadas, se utilizan habitualmente cordones. En el caso de introducir la fuerzas de tesado en el concreto ya endurecido, como sucede en las superestructuras colados in situ, se suele utilizar tendones que están constituidos por una serie de cordones que se introducen en unos conductos metálicos incluidos en la superestructura para ello. Una vez que el concreto alcanza la resistencia especificada se tesan estos tendones mediante gatos dispuestos en sus extremos. 40

41 Tipologías de los puentes Las características mecánicas de estos tipos de acero pasivo vienen definidas en el artículo 34 de la EHE-08. El tipo de acero activo más usual en puentes es el designado Y 1860 S7. La serie de diámetros nominales en milímetros es: La carga unitaria máxima de este tipo de acero es de 1860 N/mm 2. Figura 25. Armaduras activas. Figura 26. Armaduras pasivas. Fuente: Proes, Consultores. 41

42 Construcción de Puentes 5.5 Aceros estructurales Los aceros utilizados en la construcción de puentes metálicos y mixtos son principalmente los denominados S 355, de los que existen varios tipos que se utilizan de acuerdo con las condiciones climáticas de la zona en que se sitúa el puente. En particular la temperatura más baja registrada en los últimos cincuenta años en la estación meteorológica más próxima al puente es la que permite elegir el tipo de acero, entre: S 355 J2G3, S 355 J2G4 o S 355 K2G3 o S 355 K2G4 También suelen utilizarse los aceros denominados tipo CORTEN o autopatinables, que se identifican con la letra W, como por ejemplo los más frecuentemente utilizados denominados S 355 J2G1W y el S 355 J2G2W. Estos aceros estructurales a diferencia de los anteriores no requieren un tratamiento de protección frente a la corrosión, ya que tienen la característica de que forman en su superficie una película de óxido que los autoprotege, aunque no se los puede utilizar en zonas de ambiente marítimo. Cabe mencionar que en función del espesor nominal se establece el límite elástico del acero y el de rotura. Las características mecánicas y físicas de estos aceros se encuentran definidas en las normativas RPM-95 Recomendaciones para el proyecto de puentes metálicos para carreteras y RPX-95 Recomendaciones para el proyecto de puentes mixtos para carreteras. 42

43 Tipologías de los puentes 6. BIBLIOGRAFIA 1. Normas Técnicas para el proyecto de Puentes Carreteros, México D.F., 1984 Tomo I y II. 2. Normativa para la infraestructura del Transporte, México, D.F., última versión que se puede consultar en internet Conrad P. Heins, Richard A. Lawrie, Design of Modem Concrete Higway Bridge LIMUSA. 4. The American Association of State Highway and Transportation Officials, Inc., Standard Specifications for Highway Bridges, A.A.S.H.T.O Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, Diseño de Vigas de Concreto Presforzado, IMCYC Puentes I y Puentes II. E.T.S.I.C.C.P. Cátedra de Puentes. Profesor: Dr. Ingeniero de Caminos Javier Manterola. 43