diseño general de puentes atirantados

5/25/2018 Diseo General de Puentes Atirantados

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DISEO GENERAL DE PUENTES ATIRANTADOS CEINCI 2007

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DISEO GENERAL DE PUENTES ATIRANTADOS

Marlon Herrera Cevallos

Carrera de Ingeniera Civil, [email protected]

RESUMEN

Para el diseo general de Puentes Atirantados es importante realizar estudios sobre losdiferentes tipos que existen en el medio y conocer la manera en que estos actan. Elanalizar elementos bsicos y sus comportamientos es el primer paso, estos elementos aser analizados son: el tablero, los pilones, cables, cimentacin y anclajes. Comosegundo paso se puede analizar cmo actan los elementos bajo las diferentes cargas

por medio del programa SAP 2000 y con esto comparar resultados y sacar conclusionesde los problemas y soluciones que se dan en este tipo de estructuras.

Palabras clave: Puente atirantado, tablero, pilones, cables, cimentacin, anclajes.

1. INTRODUCCIN

Este artculo se desarrolla en base al estudio de los puentes que existen en el medio,tanto a nivel internacional como a nivel nacional, es decir, en el Ecuador, adems esnecesario conocer sobre los elementos y materiales que se utilizan para la realizacin deeste tipo de estructuras, cmo estos materiales van a actuar bajo cargas de peso propio,

barandas y/o pasamanos, aceras, superficie de rodadura, vehculos y peatones, sin dejarde lado a cargas extremas muy importantes que suelen causar daos catastrficos comoson sismos, vientos, variaciones de temperatura y cargas al momento de realizar laconstruccin. Identificar proveedores que existen en el medio es de suma importanciaya que de estos depende las especificaciones tcnicas del material a ser usado paraanalizar los efectos que van a causar las fuerzas anteriormente mencionadas al trabajarcon estos en conjunto.

PUENTES ATIRANTADOS

Dentro de la ingeniera civil, se denomina puente atirantadoa aquel cuyo tablero seencuentra suspendido de uno o varios pilones centrales mediante un sistema de cables(torones). Estos se distinguen de los puentes colgantes porque en estos los cables

principales se disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables

secundarios verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente atraccin, mientras que los puentes atirantados tienen partes a traccin y otras acompresin. Existen diferentes tipos de colocacin de los tirantes dentro de estos

puentes ya que estos van desde el tablero al pilar situado a un lado, y desde este, alsuelo, o bien, como el Puente del Alamillo, estn unidos directamente al nico pilar yanclados al suelo.


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Puente del Alamillo, Sevilla Espaa

Los elementos fundamentales de la estructura resistente del puente atirantado son lostirantes, las torres (el piln) y el tablero; los tirantesson cables rectos que atirantan eltablero, proporcionndoles una serie de apoyos intermedios ms o menos rgidos. ; lastorres (piln) nos sirve para elevar el anclaje fijo de los tirantes, de forma queintroduzcan fuerzas verticales en el tablero para crear los pseudo-apoyos; tambin eltablero interviene en el esquema resistente, porque los tirantes, al ser inclinados,

introducen fuerzas horizontales que se deben equilibrar a travs de l. Por todo ello, lostres elementos, tirantes, tablero y torres, constituyen la estructura resistente bsica del

puente atirantado.

Dentro de los tirantes existen diferentes formas de distribuirlos en los puentesatirantados los cuales son:

Tirantes paralelos (arpa), semi-paralelos (semi-arpa), radiales (abanico).

Tirantes Paralelos (Arpa)

Tirantes Semi Paralelos (Semi Arpa)


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Tirantes Radiales (Abanico)

Las torres, son la parte ms importante dentro de la estructura de los puentesatirantados, ya que estos son los que van a soportar toda la carga que se ha de distribuirdel tablero a los cables y estos al piln o torres.Longitudinalmente pueden tener dos torres y ser simtricos, o una sola torre desdedonde se atiranta todo el vano principal.

Dos torres y simtricos

Una sola torre

Dentro de las torres existen diferentes tipos segn su forma, las cuales son: Aprolongada superiormente, A cerrada, A invertida, pila aporticada, pilas gemelas, pilnde borde, piln tipo diamante, entre otras.

El tablero es muy importante dentro del esquema resistente bsico de la estructura delpuente atirantado ya que va a resistir las componentes horizontales que le transmiten lostirantes. Estas componentes generalmente se equilibran en el propio tablero porque suresultante, igual que en la torre, debe ser nula.

SITUACIN ACTUAL EN EL ECUADOR

En los ltimos aos el pas ha mejorado su infraestructura y su desarrollo vial, es poreso que se han aplicado nuevas tcnicas de construccin que han sido ya realizadas enotros pases alrededor del mundo.

La construccin de Puentes Atirantados ha ido evolucionando hacindolos cada vez msdeslumbrantes e inimaginables.

Es por eso que en el Ecuador como medio de solucin vial se ha decidido realizar laconstruccin de dos Puentes Atirantados. El 1ero es el Puente sobre el ro Pastaza y el2do el Puente Atirantado Juan Len Mera en Ambato.


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El 1er Puente se ubica sobre el Ro Pastaza a 65 Km. del Puyo, en el lmite con MoronaSantiago. Se inaugurar en Agosto de 2007 y ser el Puente Atirantado nmero 100 enel mundo y el primero en el Ecuador de esas caractersticas. Este puente ayudar a laintegracin regional entre Pastaza y Morona Santiago, ya que se ubica en el lmite

provincial. La obra est a cargo de la compaa argentina Jos CartelloneConstrucciones Civiles SA.

El 2do puente antes mencionado es el Puente Atirantado Juan Len Mera que unir a

la calle Albornoz con Atocha. El puente ser realizado en 720 das al costo de8.500.000 dlares, financiados con crdito de la Corporacin Andina de Fomento.

Los empresarios y tcnicos que participan en la obra orientan sobre los conocimientosde ingeniera que aplican a profesionales y estudiantes que visitan con regularidad elsector.

Esta gran obra ayudar a descongestionar el trfico vehicular, adems de convertirse enun hito arquitectnico para el desarrollo y progreso de la ciudad.

Desde el 21 de abril del 2006 que se iniciaron los trabajos de construccin, la empresacontratista HERDOIZA CRESPO CONSTRUCCIONES S.A. Y ASOCIADOS harealizado los siguientes trabajos: Replanteo general y detallado del proyecto;construccin del campamento y obras temporales para abastecimiento y operacin, enlas que se incluye una va de acceso y un puente de acero provisional sobre el ro. Serealiz el movimiento de tierras para la construccin de las torres del puente principal yde las estructuras de acceso, as como de la rampa 4; provisin y preparacin del acerode refuerzo para las estructuras; conformacin de botadero con el material sobrante de


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excavacin, muros de contencin, y un 70% de las pilas. Es decir el puente en sutotalidad se encuentra construido en un 48% y ser entregado a principios del 2008.

Detalle de las pilas Puente Juan Len Mera, Ambato

En los ltimos aos en que se ha reformado la red de transporte pblico de la ciudad deQuito, se ha construido varios puentes peatonales, todos en estructura metlica y la

mayora de estos son construidos en base a tubera reciclada de oleoducto.

Los primeros puentes de tubera de oleoducto trabajan como estructuras suspendidas, esdecir, poseen elementos soportantes principales, que por medio un sistema de tirantessostienen a la estructura por donde transitan los peatones.

A continuacin se nombran algunos puentes peatonales construidos en Quito:

Puente Peatonal del Parque Lineal El Machngara

Descripcin General

Puente peatonal del parque lineal del Machngara

Este puente como se encuentra construido en base a tubera metlica de oleoducto.Tiene una longitud de 25m tomados desde sus apoyos, sin tomar en cuenta la calzada deingreso, es de un solo vano, el ancho del puente es de 3m y tiene una altura aproximadade 4.20m. Esta estructura trabaja como un puente colgante ya que posee apoyos desoporte en donde se suspende la estructura.El tablero del puente se encuentra apoyado sobre vigas de tubera metlica y estos a suvez se encuentran suspendidos por un sistema de tubos a tensin sujetos a la estructura

principal de soporte.


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Puente peatonal de la estacin del norte Trolebs.

Descripcin General

Puente peatonal de la estacin norte Trolebs

La estacin norte del sistema Trolebs se encuentra localizado en el sector de la Y, enla Av. 10 de Agosto atrs de la Plaza de Toros Quito. Es una estructura realizada a basede tubera reciclada de oleoducto y trabaja como un puente colgante ya que tiene unaestructura soportante que es la que sostiene al tablero por donde circulan los peatones.El puente es curvo en forma de elipse y tiene una luz libre entre apoyosaproximadamente de 25m y la distancia curva que se recorre es de 40 m, tiene unaaltura de 4.20m y un ancho de calzada de 1.50m.El tablero se encuentra apoyado sobre tubos de oleoducto respectivamente arriostradosmediante tubos de menor dimetro y la capa de rodadura que ha sido aplicado es en

base de asfalto.

Puente Peatonal El Parque de los Adolescentes

Descripcin General

Puente de los Adolescentes

Este Puente se encuentra ubicado en el sector de El Condado entre la Av. Occidentaly la Autopista Manuel Crdova Galarza. Como se puede observar en la imagen, es unaestructura realizada en base a tubera reciclada de oleoducto, es de un solo vano, tieneuna altura de 4.20m y una longitud total aproximada de 38m. Este puente conecta el

parterre de la Av. De la Prensa con el redondel creado como un pequeo parque ElParque de los Adolescentes es por eso el nombre de Puente de los Adolescentes.


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El ltimo puente peatonal moderno en estructura metlica que se ha realizado en laciudad de Quito, es en el sector de El Trbol, este puente tiene una longitud total de48 m, dividido en 2 vanos iguales, tiene una altura de 4,80 m y un ancho de calzadatotal de 2,40 m, dejando as una calzada libre de 1,80 m.Tiene un apoyo fijo y un mvil en cada vano, su tablero es de estructura metlica conuna capa de rodadura de hormign simple, las vigas de soporte son de estructura

metlica con riostras en varios puntos de la misma. Lo novedoso de este puente es quetiene su rampa de acceso en forma de espiral.

Puente Peatonal en el sector de El Trbol


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2. MODELO GEOMTRICO Y PREDISEO

DISEO PUENTE PEATONAL ATIRANTADO ESPE

Desde la creacin de la Escuela Politcnica del Ejrcito en el sector de Sangolqu, nuncase ha realizado un sistema de paso peatonal para cruzar de manera segura la Avenida El

Progreso. Esta es una va de alto trfico con un grado de peligrosidad alto para lospeatones que cruzan la misma. Ahora con el nuevo proyecto vial que se encuentra enproceso, esta va ser de mayor ancho geomtrico, y por lo tanto an mayor riesgo. Espor eso que es importante y sumamente urgente realizar un paso peatonal moderno yseguro que vaya acorde con las nuevas tendencias arquitectnicas y civiles para darrealce al sector y a la ESPE.

La aplicacin del proyecto se desarrollar a la entrada del Campus Politcnico de laEscuela Politcnica del Ejrcito, sede Sangolqu, sector sur de la provincia de Pichinchaen el cantn Rumiahui.

Se analiz algunas ideas sobre la geometra que tendra el paso peatonal ya que esta

deba ser una estructura especial no comn, que le de realce a la Escuela Politcnica delEjrcito, es por eso que se tom la decisin de realizar una estructura atirantada conforma de semi arpa que atraviese el nuevo trazado vial, a la vez de dar un servicioseguro y eficiente tomando en cuenta las necesidades que tienen las personasminusvlidas; es por eso que esta estructura posee un sistema de rampas de accesoamplias y cmodas para el alto trfico que pueda presentarse por estar frente a unainstitucin educativa.

La Imagen 1 muestra la geometra que se ha adoptado para el paso peatonal atirantado.

Imagen 1: Geometra Puente Peatonal Atirantado ESPE

El puente estar situado en la parte sur a 50m del ingreso principal, tendr una alturaentre la calzada y el tablero de 5,20m la parte ms alta y la ms baja de 4,80m, tiene unalongitud de 35m y un ancho libre de calzada de 2,60m.

La geometra del puente es de un solo piln el cual est anclado a un sistema demuertos embebidos en el suelo y atiranta por medio de cables de acero de altaresistencia al tablero que se encuentra en volado.


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Imagen 2: Vista en planta del puente y del nuevo trazado vial.

El piln tiene forma de diamante el cual se encuentra armado con hormign de 350

Kg/cm2 para soportar las cargas que van a ser ejercidas por este, tiene una altura de18,80m y la zona de mayor espesor es de 1m.

Imagen 3: Detalle del Piln

Para calcular la altura del piln, es necesario tomar en cuenta varios parmetros comoson: la altura mnima de un vehculo tipo, longitud libre del tablero, el nmero de cablesque sern anclados al piln y la longitud entre pseudos apoyos, es decir entre cable ycable.

xLcH )25.020.0( =

anH ..465.0=

H= altura de la torre

n= Nmero de cables a cada lado de la torre

a= Longitud del panel.

Lc= Luz principal.


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Las cargas estticas de este tipo de puentes atirantados es el resultado de complejasinteracciones entre varios parmetros. Las principales caractersticas son la carga quesoportan los cables, la rigidez del tablero, del piln, y el tipo de conexin entre los

pilones y el tablero.

El anlisis se trata por medio del mtodo elstico, pero tomando en cuenta la geometrareal de los cables la que considera su comportamiento no lineal. Las cargas de laestructura estn definidas por las cargas permanentes y las cargas vivas.

Un puente de cables mltiples es un sistema de alta redundancia. La resistencia de lascargas depende en gran parte de la rigidez de los elementos que soportan las cargascomo son: los cables, piln y tablero. Los momentos de flexin en el tablero seasemejan a estructuras continuas sobre soportes rgidos, as, de esta manera los espaciosentre los cables tensados son reducidos. Los componentes verticales de las fuerzas enlos cables se asemejan a las reacciones de soportes. Las tensiones en los cables deanclaje hacen posible la posicin de pilones de manera que no estn sujetos a grandesmomentos de flexin cuando todas las cargas permanentes son aplicadas.

Bajo cargas de trfico, el tablero distribuye las cargas hacia los cables lo que hace quetrabajen como resortes extendidos. Los pilones, elsticamente retenidos por los cables,flexionan y sufren deformaciones horizontales, aumentando el desplazamiento antesmencionado.

Para esto el tablero est conformado por estructura metlica con vigas de soporte Tipo Ia los costados del tablero como elementos principales, a la vez se encuentranarriostrados por vigas transversales del mismo tipo pero de menor dimensin y sumadosa este correas metlicas para en conjunto brindar la rigidez necesaria que necesita eltablero.

Como capa de rodadura se tiene un elemento soportante como es la novalosa, queincluye una capa de hormign de 10cm de espesor, los cuales trabajan correctamenteante cargas peatonales.

Los cables los cuales cumplen la funcin de sostener al tablero y transmitir las cargashacia el piln estn sujetos a fuerzas de tensin.

Existen Dos sistemas de cables los cuales son: Los cables de atirantamiento. Los cables de retencin.

Los cables de atirantamiento son los que van conectados desde las torres o el pilnhacia el tablero, estos cumplen la funcin principal de la estructura la cual es sostener altablero donde sern repartidas las cargas segn sea la funcin que este cumpla.

Los cables de retencin que trabajan como sistema de atirantamiento son los que hande ser colocados para evitar los movimientos en la cabeza del piln. Estos tirantes irnanclados a puntos fijos (anclajes al suelo). Al momento de trabajar con los cables, esnecesario definir el nmero de tirantes de cada haz, o lo que es lo mismo, la distanciaentre los puntos de anclaje de los tirantes en el tablero.En el puente atirantado el nmero de tirantes es de 10 a cada lado del tablero, de formaque la flexin que se puede llamar local, que es la debida a la distancia entre los apoyosgenerados por los tirantes, es insignificante respecto a la flexin que se produce por ladeformacin general de la estructura.


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El dimetro de los cables de atirantamiento, es decir los que van al tablero, son de de pulgada, capaz de resistir hasta 26 toneladas antes de llegar a su lmite de rotura,mientras que los cables que van anclados a los muertos de hormign que son los quevan a evitar las deformaciones verticales de la estructura tienen un dimetro de 1

pulgada.

El rol de las fuerzas dinmicas en los cables tensados es muy importante. Ms an queen algunos tipos de puentes, tales fuerzas pueden determinar la viabilidad del proyecto.Existen generalmente tres tipos de problemas:

Estabilidad aerodinmica Efectos de funcionamiento. Seguridad contra los sismos.

El desarrollo aerodinmico del Puente Atirantado determina, en gran parte, la seguridad.Es un hecho que la falta de estabilidad dinmica global era la razn para elderrumbamiento de varios de los primeros puentes suspendidos. Estas estructuras

pueden ser muy susceptibles a fenmenos de viento la cual es una causa comn defatiga en sus sistemas de suspensin.

El anlisis de todos los fenmenos dinmicos, incluyendo efectos ssmicos, son muytomados en cuenta para evitar que la estructura sufra daos irreversibles y/ocatastrficos.

Con estos datos nombrados anteriormente se puede realizar un modelo con el programaSAP 2000 y de esta manera obtener resultados que indiquen como esta trabajando laestructura y posibles problemas que puedan encontrarse.

Imagen 4: Vista lateral Puente Peatonal ESPE programa SAP 2000

El puente peatonal atirantado se encuentra anclado a muertos de hormign en el sectorde la ESPE, su piln est al borde del cerramiento en base al nuevo trazado geomtrico,y el lado opuesto del puente colinda con el sector de La Colina .


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Imagen 5: Vista en 3 dimensiones del Puente Peatonal ESPE

Vista en 3 dimensiones desde la parte superior derecha del puente se puede observar ladisposicin de cables hacia el tablero y anclajes, adems de proveer una idea clara de lageometra que tendr el piln y detalles de cmo se ver en general toda la estructura.


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3. RESULTADOS

Primeramente es necesario acotar que la estructura se diseo por medio de perodos deconstruccin, ya que es importante analizar como la estructura acta y se deforma acausa de etapas que se realizan al momento de construir.

Una vez diseada y aplicada las cargas que van a trabajar sobre esta observamos paso apaso las deformaciones que dan como resultado al analizar por medio de Perodos deConstruccin.

1. Piln

En la primera etapa de construccin podemos observar enel grfico que tenemos una deformacin del piln de 1mm,ya que todava no ha recibido cargas del tablero ni de losanclajes, sino que acta bajo cargas del peso propio delmismo.


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2. Piln + Tablero + Apoyo 1 + Apoyo FinalEl segundo perodo de construccin relaciona el piln + la primera etapa del tablero seencuentra sobre un apoyo temporal + la segunda etapa del tablero que de la mismamanera esta sobre un apoyo al final el cual tambin estar temporalmente.

Aqu en la segunda etapa del tablero se tiene una deformacin de apenas 4cmverticalmente, no existe todava una deformacin horizontal a ser considerada.

3. Piln + tablero + cables de atirantamiento + cables de retencin Apoyo finalEn el tercer perodo se colocan los cables de atirantamiento y de retencin y se eliminael apoyo final y obtenemos lo siguiente:

A causa de que se elimin el apoyo temporal final de la estructura, se obtuvo comoresultado una deflexin vertical de 18cm, adems de tener una deformacin vertical enel cable de 40cm, esto es causa de que el apoyo intermedio no ha sido eliminado todavay no existe una tensin necesaria para que el cable de retencin trabaje.


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4. Piln + tablero + cables de atirantamiento + cables de retencin Apoyointermedio

En el cuarto perodo de construccin se elimina el apoyo intermedio y se tiene todo eltablero en voladizo.

Al tener toda la estructura en volado, obtenemos una deformacin final en el tablero de20cm, la cual debemos contrarrestar con la tensin en los cables de retencin.

Por ser una estructura en volado se deber tener un sistema de apoyo al final del tableropara de esta manera contrarrestar las deflexiones horizontales que produce ante efectosde vibracin, ya que los puentes peatonales por ser estructuras muy ligeras tienenmuchos problemas por esta causa.

CONCLUSIONES

1. Los puentes peatonales atirantados al ser estructuras muy ligeras tienen grandesproblemas de vibracin ante cargas vivas, es por eso importante darle la rigideznecesaria para evitar que esto afecte a la estructura.

2. Los cables de retencin cumplen una funcin muy importante ya que son los queevitan que ante cargas en el puente, el piln y el tablero sufra deformacionesexcesivas.

3. Es importante que la estructura tenga un buen desarrollo aerodinmico paraevitar que eventos extremos como el viento causen daos de fatiga en sussistemas de suspensin.

4. Por ser una estructura que se encuentra en voladizo es necesario que en elextremo del volado exista un sistema de apoyo que disminuya el desplazamientohorizontal y vertical.

5. Al momento de disear cables dentro del programa SAP 2000 es importantetomar en cuenta la geometra deformada del cable ya que de esta manera el

programa presenta varias iteraciones dando como resultado deformacionesmucho ms reales.


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6. Este tipo de estructura no se encuentra especificada dentro de los factores dereduccin de cargas ssmicas que propone el Cdigo Ecuatoriano de laConstruccin, ya que no es factible utilizar el valor recomendado de 3 debido aque el nico elemento estructural que resistir las fuerzas ssmicas es el piln dehormign armado, es por eso que es recomendable no reducir las fuerzasssmicas.

REFERENCIAS

1. Anlisis y Diseo Esttico y Dinmico de Puentes Atirantados, Tesis deGrado, Marco Leonardo Tapia Mera.

2. Cable Stayed Bridges, Theory and Design, M.S. Troitsky, DSc 19773. Anlisis y Diseo de Puentes Colgantes y Atirantados, Artculo: Ing. Pablo

Caiza. M.Sc.

4. Comportamiento no lineal de cables, Artculo, Ing. Pablo Caiza.5. Bridge Engineering, Design, Rehabilitation, and Maintenance of Modern

Highway Bridges; Demetrios E. Tonias, P.E.

6. Manuales de uso del SAP 2000; Monografa, Ing. Pablo Caiza.7. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications SI Units Third Edition.

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