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EVOLUCIÓN DE PUENTES Y VIADUCTOS URBANOS A BASE DE ELEMENTOS PREFABRICADOS

José María Riobóo Martin

Introducción

Entre las estructuras mas interesantes y llamativas que el hombre ha construido; se encuentran las de los puentes. El objetivo principal de los puentes, es el de salvar claros, con seguridad, funcionalidad, economía y estética. Es también conveniente indicar, que en el caso de los puentes, por lo general, las estructuras de ellos, no se cubren; es decir, quedan totalmente expuestas a la vista y a la intemperie; y en muchos casos no reciben el mantenimiento adecuado.

Los puentes más antiguos fueron construidos a base de piedra y madera, los primeros por sus grandes dimensiones y los segundos por problemas de intemperismo, han caído en desuso; y dieron paso a los de acero y de concreto reforzado; y posteriormente a los de concreto presforzado.

Con el desarrollo de los sistemas de presfuerzo y de prefabricación de elementos de concreto, a partir de los años 40's; y debido a las ventajas que estos sistemas ofrecen; se han venido diseñando, con gran éxito, puentes de concreto pretensado, resueltos con elementos prefabricados.

En los Estados Unidos, en las décadas de los años sesentas y setentas, se desarrollo con gran aceleración, el uso de elementos estandarizados de sección "1", conocidas como tipo AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials); secciones que se utilizan aún, con algunas variantes (trabes tipo "T" AASHTO, tipo WSODT Washington State Department of Transportation, etc.); estos elementos longitudinales son rectos, y están simplemente apoyadas en caballetes o estribos; y trabajan en sección compuesta con firmes de concreto reforzado colado en el lugar de espesores importantes.

La estandarización y tipificación de estos elementos permitió reducir el tiempo de diseño de las superestructuras de los puentes y sus correspondientes costos; pero esto, que en principio representa una gran ventaja, trajo como efecto a largo plazo, un estancamiento en el diseño y la imposibilidad de desarrollar elementos nuevos y por consecuencia se perdió eficiencia en el diseño de puentes prefabricados de concreto. Hoy en día, se puede afirmar, que los puentes AASHTO se encuentran entre los que tienen, mayor cantidad de material y por ende, entre los más costosos. En nuestra medio, ese exceso de costo, es de gran importancia; y se refleja en nuestra economía.

Por otra parte, la solución con elementos longitudinales, prefabricados, simplemente apoyados, no es la más económica; y no resuelve por completo, aspectos de seguridad sísmica en estribos o columnas aisladas; en por lo menos una de las dos direcciones de los puentes; además, de que para puentes carreteros localizados en lugares aislados, el aspecto estético, que esta solución ofrece, no es la mejor.

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En los últimos años, el empleo de elementos de sección "1" se ha ido substituyendo por otro tipo de secciones, tales como: secciones de tipo canal y trabes cajón de paredes rectas, que trabajan en conjunto con firmes colados en el lugar y que forman, sistemas de piso, que no necesitan, a diferencia de sus antecesoras, de diafragmas transversales que generalmente son postensados y colados en sitio. El aspecto estético de éstos puentes, mejora un poco.

Sin embargo, ambas soluciones siguen sin resolver aspectos sísmicos fundamentales, no salvan claros importantes y el aspecto estético deja mucho que desear.

En Europa, los puentes suelen ser mucho más interesantes; ellos fueron construidos, durante varias décadas, a base de cajones tipo canal, aligerados, colados en sitio y muchos de ellos postensados. Generalmente han resultado extremadamente caros y pesados, con limitaciones constructivas grandes, obras falsas complicadas y tiempos de ejecución notables, pero salvando claros mayores, a un costo también mayor, en comparación con los construidos en los Estados Unidos.

Los puentes de claros grandes e importantes, han tenido un gran desarrollo en Europa; empleándose los denominados, puentes atirantados, colgantes y mixtos; sin embargo, en los casos de puentes con rangos de claros medianos y cortos, las soluciones estructurales parecen estar estancados.

En México el desarrollo del presfuerzo y la prefabricación ha permitido buscar y encontrar soluciones estructurales para puentes muy interesantes. Nuestros fabricantes de elementos de concreto, han sido mas flexibles al aventurarse con nuevas formas, secciones y diniensiones. El trabajar sin los catálogos de elementos estandarizados; ha permitido la innovación y la implementación de nuevas ideas.

Por otra parte, el desarrollo de equipos de fabricación, transporte y montaje de elementos prefabricados de concreto, modernos y eficientes, ha permitido también realizar diseños más osados; actualmente, se cuenta con equipos y cimbras más sofisticados y de mayor capacidad que hace 20 años, cuando el ancho máximo transportable para elementos prefabricados de concreto, era de 2.50 m, ahora, esa dimensión se ha excedido por mucho, transportándose piezas de más de 8.0 metros de ancho y llegándose a montar y a lanzar piezas de más de 180 Ton..

Dadas las condiciones económicas de nuestro país, estamos obligados a la búsqueda de mejores soluciones estructurales y económicamente más eficientes y agradables.

Puentes Urbanos

Los puentes urbanos tienen algunas diferencias con respecto a los localizados en las carreteras. Primero, suelen ser castigados con varios tipos de restricciones; tales como: tiempos cortos de construcción; para evitar acrecentar las molestias a los vecinos del lugar, limitaciones en la localización de su subestructura; debida al propio paisaje urbano, a la propia infraestructura existente, a las obras inducidas y a las características de las estructuras aledañas; así mismo, al

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nivel de ruido aceptable, a la seguridad en el tráfico local, etc. y por si esto fuera poco, normatividades estrictas de diseño y construcción y escasos recursos económicos y financieros.

Debido a las características y a los congestionamientos de vehículos que día a día se presentan en la Ciudad de México, la tendencia actual al diseñar puentes, es buscar claros que puedan llegar a salvar más de 60.0 m, sin apoyos intermedios y evitar el interrumpir el tránsito en las avenidas principales, mientras se construyen los puentes.

Diseño Sísmico de Puentes

Los puentes de claros pequeños y medianos, están resueltos, por lo general, mediante sistemas estructurales simples, en comparación con otro tipo de construcciones, como son los edificios; y carecen de altos grados de redundancia, lo que los hace más vulnerables ante la falla de uno de sus elementos estructurales. Por otro lado, ésta misma simplicidad puede damos un mayor grado de confianza en la predicción de la respuesta sísmica, de las estructuras de los puentes; sin olvidar que ésta simplicidad los hace más sensibles a errores y olvidos, durante el diseño estructural; y más susceptibles a los efectos de segundo orden. Estos puentes son estructuras de períodos cortos, donde el amortiguamiento histerético alto es importante, ya que los desplazamientos máximos de respuesta son muy sensitivos al amortiguamiento. Son también más susceptibles a los efectos de interacción suelo-estructura, que otros tipos de estructuras; y los aspectos de fatiga toman dimensiones relevantes.

Los puentes de claros cortos y/o medianos cuentan con estructuras con características diferentes a las de los edificios. En los puentes es una práctica no deseable, la formación de articulaciones plásticas en la superestructura, que es la parte de los puentes, que soporta la carga viva móvil; y debido a ello, en los puentes, se elige, como lugar para que ocurran las deformaciones inelásticas, a la subestructura (columnas y estribos). Contrario a lo que sucede en los edificios.

La localización de las articulaciones plásticas se identifican desde la fase conceptual de diseño y se debe tener gran cuidado al diseñar dichas zonas.

Para asegurar que una respuesta a flexión inelástica dúctil se alcance, es esencial que los modos de deformación, no dúctil, se inhiban, situación que se revisa durante el diseño.

Daños que han sufrido algunos Puentes en Sismos Recientes

Un gran numero de los puentes dañados, debido a los efectos de los últimos sismos que se han presentado en el mundo, han tenido el atenuante, de que se habían identificado como potencialmente sujetos a daños o colapsos; y algunos de ellos, estaban en lista, aguardando recursos para su refuerzo y rehabilitación. Otros fueron diseñados por reglamentos caducos y otros tantos presentaban problemas adicionales.

Por ejemplo, en el caso de la vía Hanshin Express en Kobe, el colapso se pudo haber debido a una conjunción de factores que van desde la falla del traslape de fusión en el armado longitudinal, a

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problemas de microagrietamiento por fallas de control de calidad en el colado de columnas masivas, con diferentes tiempos de fraguado entre el núcleo y los perímetros; hasta el deterioro, por reacciones alcalinas, en el concreto mal reparado, pasando por su rigidez, bajo porcentaje de armado, insuficiencia del armado transversal, etc.

Después de Northdridge, los daños fueron bien identificados; y como conclusiones se llego a que los efectos no fueron sorpresivos a la luz del conocimiento de la época en que sucedió el sismo. En éste sismo, muchos de los colapsos de los puentes fueron asociados con el bajo o mal desempeño de columnas críticas a cortante y a pérdidas de apoyos debidos a asientos cortos no restringidos, problemas identificados en sismos previos. Este sismo demostró la vulnerabilidad potencial de la infraestructura diseñada y construida en la década de los setentas, pero reforzó el progreso evidente en la práctica del diseño en puentes modernos o previamente reforzados.

Así mismo, se descubrió que en los reglamentos anteriores y actuales, no se representaba una distribución adecuada de las fuerzas sísmicas en puentes largos, o de multimarcos; y que el choque en juntas articuladas pueden incrementar significativamente las fuerzas y las demandas inelásticas en marcos muy rígidos; lo que no se consideraba, en los métodos de análisis de esos años.

En los puentes, como en otros tipos de obras, se han presentado casos, en que los cambios en las estructuras, ocurridos durante la construcción o la vida útil, invalidaban los supuestos del diseño y que nunca fueron revisados. Es importante que se verifiquen, en obra, las condiciones de la construcción final, con los supuestos de diseño.

El daño mayor en puentes a base de multicolumnas, nos ha enseñado que la confiabilidad asociada con la redundancia, no es suficiente para evitar el colapso. Ha habido daños a estribos y a accesos y rampas de acercamiento, en puentes esviajados y en puentes curvos. Sin embargo, los daños más aparatosos han ocurrido en las articulaciones plásticas, en columnas, en las secciones superiores de ellas, por un cambio de rigidez importante; o abajo en la base, donde han fallado por cortante, antes y después de haber desarrollado demandas inelásticas significativas, la mayoría de éstos, debido a un refuerzo transversal inadecuado. Algunas otras fallas bien pueden atribuirse a: reducción de la calidad del concreto, a las deformaciones y rotaciones ocasionadas por falla de otras columnas o por degradación a cortante de la sección.

Durante el sismo de Kobe, otros puentes sufrieron daños, por ejemplo, en la vía Harbor donde se presentaron problemas de licuación y movimientos excesivos de la subestructura.

Por otra parte, los daños más comunes siempre son debidos a las diferentes alturas de las columnas que por razones de estética y por utilizar las mismas formas de cimbra, conservan siempre la misma sección; y que por rigideces relativas, las columnas cortas de los extremos toman más fuerza sísmica que las columnas altas centrales, cuando no se diseñan adecuadamente las juntas expansivas.

Reglamentos

A pesar de no existir un reglamento o norma propias para el diseño y construcción de puentes en las ciudades importantes de México y en especial para el Distrito Federal se han adoptado las prácticas del Reglamento para puentes del American Association of State Highway Transportation Officials AASHTO y se utiliza la carga de camión HS-20 o la T3SR4.

A raíz de lo sucedido en el sismo de Lomaprieta en Octubre de 1989, el AASHTO tuvo su primer reforma importante, desde las reacciones al sismo de San Fernando en 1971. Pero en México pocos lo adoptaron y se sigue aún diseñando para sismo con las bases del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (coeficiente sísmico, factores de comportamiento sísmico, etc.).

Los daños causados en puentes por los sismos de Northridge en Enero de 1994; y por el Hyogoken Nanbu en Kobe, casi un año después, despertarón la alerta mundial y nos recordarón la vulnerabilidad de los puentes. Mucho se ha hecho desde entonces y aunque los daños aparecidos enseñaron pocas cosas nuevas, si ha habido un reflejo en las prácticas de diseño sísmico para puentes, en documentos y en reglamentos; lo que obliga al ingeniero estructurista a buscar nuevas soluciones, como las que en éste documento se presentan.

Eficiencia en el Manejo de Cargas Verticales

En la búsqueda para eficientar y desarrollar las estructuras de los puentes, se ha encontrado un sistema innovador; que aprovecha las ventajas propias de la prefabricación y presfuerzo de elementos de concreto (claros grandes con peraltes menores, mayor calidad, durabilidad y economía).

Una idea básica fue la de eficientar la transmisión de cargas verticales, para esto, se utilizó un sistema tipo Gerber, integrado por trabes con doble voladizo, que soportan trabes simplemente apoyadas. Esta continuidad isostática permite reducir peraltes, comparándolo con trabes simplemente apoyadas, de todo el claro; con esta solución tipo Gerber se obtienen, momentos flexionantes positivos menores a los que se presentan en el caso de vigas simplemente apoyadas; y momentos negativos en el volado, menores que los que se obtendrían con trabes continuas, de todo el claro.

Esta continuidad isostática permite el manejo de claros largos con piezas más cortas, economizando no sólo en materiales, sino también en transporte y montaje.

Con esta solución, hay también, una reducción importante en el peso del puente, que no sólo beneficia el comportamiento estructural durante sismos, sino que además tiene efectos directos importantes sobre el costo del puente. Comparando la solución estructural de un puente que presenta continuidad isostática con trabes cajón, con la de una solución que emplea trabes tipo "1" AASHTO; y usando un parámetro tan sencillo como lo es el "espesor equivalente", de una losa de concreto que incluye toda la superestructura, se puede observar que con la primera alternativa, se obtienen ahorros de hasta un cincuenta por ciento en el costo por metro cuadrado de puente.

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Actualmente se trabaja con dos tipos de soluciones de trabes de apoyo (con doble voladizo). La más común es una trabe que forma un marco longitudinal corto, al conectarse con un par de columnas, separadas entre ellas en promedio por 12.0 m; fuera de éste claro se presentan dos cantiliveres, donde se apoyan las trabes centrales. La segunda alternativa, que se empleo en un puente localizado en Chalco; y que consiste en que también se tienen trabes de apoyo, con doble voladizo; pero que se conectan a una sola columna (en un sólo punto).

A continuación se indican algunos otros aspectos interesantes del diseño:

En el caso más común, éste claro de 12.0 m, se alterna con claros tipo de 35.0 m, o con el claro principal de hasta 63.0 m.

El peralte de las trabes de apoyo es constante de 1.40 m para claros tipo; y crece variable hasta 2.20 m o se mantiene constante, dependiendo del claro.

Las trabes simplemente apoyadas, de peralte constante, que se colocan en el centro de los claros alternos, tienen longitudes de entre 24.0 m y hasta 46.0 m.

Por otra parte, la cimentación aislada por cada par de columnas, junto con la articulación entre las trabes de apoyo y las centrales; permiten un manejo adecuado de los hundimientos diferenciales entre marcos, aún en las peores zonas de subsuelo de la Ciudad de México.

M Estructura Simplemente Apoyada

M2 « M1 Continuidad Isostática 1

Mb « Ma

Fig. 1 Comparativa de Diagrama de Momentos Flexionantes para distintas soluciones.

Trabes de Sección Cajón

Todas las trabes empleadas con esta solución estructural, son de sección cajón, por la necesidad de absorber momentos tanto positivos como negativos. Las trabes tipo AASHTO, de secciones 141" o "T", tienen zonas a compresión suficientes, para resistir momentos positivos, trabajando en sección compuesta con los firmes estructurales; pero carecen de ésta, para momentos negativos. La sección cajón óptima, es la que tiene alas laterales en volado, que reduce el volumen de concreto y logra una separación adecuada de columnas y suficiente rigidez lateral a torsión. Se estudio para cada caso, la sección óptima que permitiese un trabajo estructural adecuado en sección compuesta, para las cargas verticales; en las losas superiores en volado y central; y una sección cajón ancha que transmitiera eficientemente tanto los momentos positivos, negativos y torsionantes durante el ciclo de vida del puente, y que presentase, una inclinación de paredes laterales que transmitieran eficazmente los esfuerzos cortantes y torsionantes. Esta sección cajón también permite una eficiente transmisión de fuerzas en la conexión articulada o simplemente apoyada con mecanismos restrictores sencillos. El ancho que resulta de la sección transversal en el extremo desvastado y que es maciza, transmite las fuerzas internas de la conexión, sin los problemas, que se presentan en las trabes de tipo "1". La rigidez lateral de las trabes cajón permite reducir al mínimo, el uso de diafragmas intermedios.

La solución tipo Gerber a base de dos tipos de trabes, unas de apoyo y otras simplemente apoyadas; permite que cada una de ellas trabaje o soporte el momento predominante, del mismo signo; y no requiere de postensado. Estas trabes se arman con presfuerzo recto, sin desviaciones, que encarecerían la solución.

El presfrierzo de las trabes prefabricadas de la superestructura, varía en cantidad según el ancho de la trabe y su longitud; y asegura un comportamiento adecuado, a resistencia, servicio y durabilidad.

Núcleos Sismo-resistentes

Como se comento con anterioridad, las trabes de apoyo forman marcos en el sentido longitudinal del puente, con el par de columnas correspondientes; y para ello se emplea una conexión de tipo monolítica; que asegura, por otra parte, la formación de un par de marcos transversales a la dirección del puente, integrado por las columnas y con trabes semi-prefabricadas o coladas en sitio. De esta manera se crean "núcleos sismo-resistentes", es decir, zonas de formación de marcos longitudinales y transversales.

En el sentido longitudinal, se tendrán tantos marcos paralelos, de una sola crujía, como trabes de la superestructura; y en el sentido transversal, se tendran marcos paralelos (de un número de crujías iguales).

Siguiendo con la filosofia del diseño sísmico de puentes, la formación de las articulaciones plásticas no ocurre en las trabes que conforman la superestructura. Estas articulaciones plásticas; en el caso de los marcos longitudinales, ocurre en las columnas y en los transversales, primero en

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el centro de la crujía en la trabe transversal, que no transmite cargas verticales (más que la propia) y después en la columna. Es decir, los elementos que soportan la carga viva no se afectan.

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Fig. 2 Núcleos sismo-resistentes. Puente Alameda Oriente

En esta solución estructural; y en comparación con otros sistemas estructurales, hay ahorros importantes. La continuidad isostática permite elementos más ligeros, de menor peralte que los utilizados en sistemas simplemente apoyados o continuos como los utilizados en la construcción tradicional. Por lo que las masas (pesos) para el diseño sísmico son mucho menores. La formación de marcos longitudinales y transversales, también tiene una eficiencia en la transmisión de momentos sísmicos a la cimentación, pudiendo ser de hasta solo un tercio del momento sísmico de una columna aislada, comparándolo con el correspondiente para un sistema de sección cajón simplemente apoyado o continuo.

Una tendencia clara en los reglamentos sísmicos de puentes en el mundo, como el EuroCode 9, el ATC-32, etc.; es la de buscar que las acciones estructurales sean consistentes con limitar la ductilidad y limitar por tanto la respuesta inelástica a niveles consistentes con la reducción de daño estructural. La acción estructural más deseada entonces es la de comportamiento en un rango elástico. La superestructura gracias al presfuerzo se comporta en ese rango durante su vida útil. El siguiente paso es el de presforzar tanto la conexión (que conserva suficiente acero

ordinario para asegurar el comportamiento dúctil) y la columna. El puente de Chalco, por ejemplo, tiene la columna y la conexión trabe-columna postensadas y forma un marco longitudinal continuo de claro igual a 45.0 m., con una conexión entre trabe central y de doble voladizo, también postensada, por lo que podemos hablar de marcos alternos continuos y totalmente presforzados. Se espera un comportamiento en rango considerable de tipo elástico ante cualquier tipo de solicitación.

La experiencia que se ha tenido en los últimos diez años, con los puentes urbanos en la zona del Lago, con hundimientos diferenciales entre apoyos despreciables, nos llevó a marcos más largos, con cimentaciones por columna y conjuntas expansivas a los lados de los marcos continuos.

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Fig. 3. Marco de 45.0 m de largo continuo y totalmente presforzado. Puente de Chalco

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Conexión Trabe-Columna

La formación de los centros sismo-resistentes con trabes prefabricadas, es posible gracias a la conexión diseñada para el caso. La trabe de apoyo con doble volado, tiene, coincidiendo con los ejes de la columna, una caja tronco-cónica piramidal, por donde pasan los aceros tanto de la columna (con los zuncho o estribos colocados posterior a la trabe), como los de las trabes (longitudinales y transversales). Ver Fig. 4.

Opciones Estructurales

No siempre es posible tener una columna, debajo de cada trabe de la superestructura, ya que muchas veces hay restricciones al respecto. En muchos casos sólo hay espacio para poner una columna, entre dos trabes de la superestructura. Para éste tipo de estructuración; en donde se deben seguir formando centros sismo-resistentes, se tiene que utilizar obra falsa, para soportar temporalmente las trabes, que posteriormente se unen con trabes transversales coladas en sitio o semiprefabricadas, que se arman y cuelan con acero ordinario y se postensan posteriormente.

En el caso extremo, cuando solo hay lugar para una columna aislada, en el sentido transversal, el problema se resuelve mediante un cabezal prefabricado, con conexión monolítica con las columnas coladas en sitio o prefabricadas y con conexión monolítica entre trabes y cabezal.

Puentes Multiniveles

Además de los puentes convencionales, existen los casos de puentes de dos niveles paralelos.

Siguiendo con la filosofia de los centros de rigidez o núcleos sismo-resistentes se ha diseñado en la ciudad de México el Distribuidor Zaragoza conocido como Puenteros.

Distribuidor Zaragoza - Puenteros

Recientemente se ha construido en la ciudad de México un conjunto de puentes denominado Distribuidor Zaragoza-Puenteros; estos puentes se diseñaron y se construyeron de acuerdo a la solución estructural que nos ocupa; sin embargo, debido a características especiales se llevaron a cabo algunos cambios respecto al proyecto estructural tipo.

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MARCOS LONG ITUDINALES

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CORTE TRANSVERSAL A-A

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FIG. 4 NUCLEO SISMO - RESISTENTE

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Descripción

La solución estructural empleada en este proyecto, consta de un sistema de dos marcos transversales, de dos niveles, separados una distancia de 5.0 m. Los marcos se forman con dos columnas prefabricadas y trabes de cabezal también prefabricadas, una por nivel y por eje. Los marcos transversales están acoplados en el sentido longitudinal, mediante una losa de concreto que va de marco a marco; y varios puntales colocados en las trabes o cabezales, en su parte inferior. Adicionalmente a esto, hay contraventeos metálicos cruzados, en forma de X, en ambos niveles y dos tubos metálicos longitudinales colocados a la altura de los cabezales.

Entre cada sistema de dos marcos transversales, o cada centro sismo-resistente, se apoyan simplemente trabes aligeradas de sección cajón, como las utilizadas en los puentes de un solo nivel, de longitud y número variable, según las características geométricas y viales del tramo, pudiéndose apoyar hasta seis trabes por nivel.

Superestructura

La superestructura de los claros principales consta de trabes presforzadas prefabricadas de sección cajón hueca, con alas de ancho variable; con un máximo de 4.00 m, con volados de 109.17 cm a cada extremo. Estas alas tienen un espesor variable de 8.0 cm en el extremo a 13.0 cm en la intersección con la trabe cajón. Las trabes tiene un peralte total de 2.00 m y una longitud máxima de hasta 42.0 m; siendo el promedio de 36.00 m.

En los extremos de las trabes, hay una zona maciza de 120 cm a cada lado; y una nariz o extremo desvastado de 95 cm de peralte y 60.0 cm de largo, donde se apoyaran sobre los cabezales de los marcos transversales. En la parte restante, la trabe cajón es hueca, aligerada, con un ancho de alma de 15.0 cm.

Entre los 5.0 m longitudinales que separan los marcos transversales, la superestructura consta de una losa de concreto de 15.0 cm de espesor; adicional al firme estructural, de 8.0 cm de espesor, que también se cuela sobre las trabes cajón.

Sube structura

Las columnas son de concreto reforzado y pretensado, prefabricadas a toda su altura, con un promedio de altura de 16.30 m. En la parte inferior, que corresponde a la planta baja, la sección transversal es oblonga, de 2.00 m x 1.50 m, hasta una altura de 8.40 m, sobre el nivel de terreno natural; cambiando a una sección circular de 1.50 m de diámetro, en lo que corresponde al primer nivel; es decir, en una altura de 7.90 m, sobre la sección anterior.

El cabezal del primer nivel, se apoya, sobre las columnas (entre la sección oblonga y la circular), mediante una conexión continua; y el cabezal del segundo nivel, se apoya en la parte superior de la sección circular.

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FIG. 5 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DEL DISTRIBUIDOR ZARAGOZA (PUENTEROS) ESTRUCTRTJAS PREFABRICADA.

El cabezal es una trabe de concreto, prefabricada, presforzada de sección cajón, aligerada, entre zonas macizas, alternadas en las zonas de apoyo de las trabes centrales de los claros principales. Las longitudes de los aligeramientos varían, según la posición y número de trabes centrales, las almas (en estas zonas), tienen un espesor de 20.0 cm; y las zonas macizas son de 1.60 m de longitud. El peralte de los cabezales es de 2.00 m.

En las zonas donde se apoyan las trabes centrales, hay una caja para recibir los extremos desvastados de las trabes cajón de la superestructura.

La conexión entre cabezales y columnas es de tipo continua, monolítica; y postensada posteriormente a la colocación de los cabezales; y al colado de la conexión.

Se observa, que de esta manera, se forman marcos presforzados, que trabajan como núcleos sismo-resistentes, que garantiza el comportamiento elástico, en un rango mayor.

Viaductos Elevados para Trenes Urbanos

En México existen ahora cuatro viaductos elevados, para trenes tipo Metro, tres se ubican en la Ciudad de México y uno en Monterrey. Los sistemas estructurales empleados en ellos, se han ido mejorando conforme a la experiencia. El primero en construirse fue el que corresponde a la Línea 4 del STCM. Esta estructura es masiva y presenta dimensiones un tanto exageradas, su superestructura esta formada por un cajón colado en sitio, que requirió de una notable obra falsa y presentó un tiempo considerable de construcción. De 1985 a 1987 se construyó el segundo viaducto elevado que corresponde a la Línea 9 del Metro, de la ciudad de México, y se ubica de la Estación Velodromo a Pantitián. En ellas se empleo un sistema tipo Gerber, con trabes prefabricadas y presforzadas de sección "T", de 1.85 m de ancho (ancho máximo transportable en esa época). A fmales de la década de los ochenta, se comenzó a construir el tercer viaducto elevado, Metrorrey, a base de dovelas; empleando para su construcción, una notable estructura de montaje. El proyecto resultó mucho más caro que lo planeado y mucho más lento de los esperado, además de no poder resolver situaciones específicas como estaciones curvas o restricciones fisicas importantes. Este tipo de sistemas ha sido comercializado en varias partes del mundo, como en Kuala Lumpur, Malasia, en Atlanta, en Estados Unidos, y en otros lugares.

Si comparamos los sistemas estructurales a base de dovelas con los que emplean elementos prefabricados longitudinales, se puede decir, que la construcción segmental es óptima para cañadas, barrancas o claros mayores a 90.0 m; con peraltes importantes; pero que para el caso de puentes de menor claro; este sistema, en comparación con el de trabes prefabricadas y pretensadas, presenta las siguientes desventajas:

En diseño:

La construcción segmental tiene un factor de resistencia reductivo adicional, los esfuerzos permisibles a compresión son menores; y en condiciones de servicio, no se permiten esfuerzos a tensión. Las pérdidas de presfiierzo son mucho mayores (anclajes, fricción, curvatura, etc.) y el presfuerzo externo tiene posibilidad de trabajar como arco atirantado,

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además de necesitar presfuerzo ordinario adicional. Esto se traduce en estructuras, con mayores secciones; y mayor cantidad de acero de refuerzo y presfuerzo; por lo tanto más caras.

En geometría:

En múltiples ocasiones, los peraltes y el tamaño del hueco interior de las dovelas están definidos, por la necesidad de contar con un paso interior, para que se trabaje en el, cómodamente. Las almas deben de ser más anchas, para poder acomodar los cables interiores; o debe de contar con bloques especiales muy armados, para anclar al presfuerzo externo. En algunos casos, en las zonas, donde se unen mediante adhesivos las almas, es necesario contar con una superficie notable para hacer el contacto.

Así mismo, se necesita una mayor exactitud, en las formas de los moldes, para las dovelas que se unen y que van continuas. Esto se sigue traduciendo en piezas más grandes y más pesadas.

En construcción:

El manejo y la erección de las dovelas, además de requerir de equipo muy especial y caro, es mucho más lento, que el transporte y montaje de piezas prefabricadas y pretensadas; las que requieren de equipos menos sofisticados.

Por otra parte, al tener un mayor número de piezas segmentales, se pueden presentar problemas, para el control del presfuerzo de los cables de postensado y por deflexiones inmediatas. También hay problemas de calidad, en el caso de cables ubicados dentro del alma de las dovelas, en la inyección de la lechada y con los epóxicos de adhesión entre piezas. Por otra parte; puede haber corrosión invisible; y la supervisión debe de ser experta y detallada. En varias partes del mundo, para este tipo de puentes, se obliga a tener, un sistema profesional de aseguramiento de calidad estricto.

Conviene también señalar, que las mayores dimensiones que se obtiene con la solución a base de dovelas, aumenta la masa y/o peso del puente; lo que tiene como consecuencia un incremento también en las dimensiones de la subestructura.

El viaducto elevado para trenes urbanos mas recientemente iniciado en nuestro país; es el que corresponde a la Línea B del metro de la ciudad de México.

Para el Metropolitano Línea B, se estudiaron varias alternativas que por supuesto incluían consideraciones económicas; finalmente, se optó por la solución elevada, en contra de las soluciones superficial y subterránea; ya que la solución elevada, presenta las siguientes ventajas: no requiere de puentes transversales, la obra inducida es menor, el tiempo de construcción es también menor, se presentan pocas afectaciones, no interfiere con los asentamientos de las estructuras aledañas, presenta un impacto urbano menor, requiere la utilización de vía vehicular de 0.8 ma 1.40 m, etc.

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Para definir la solución estructural; se compararon varios sistemas de superestructura; llegándose a una solución consistente en: trabes de las utilizadas en los puentes vehiculares y una subestructura, formada con una sola columna, en voladizo; y con trabes transversales postensadas.

Metropolitano Línea B

La superestructura está formada por una sola trabe presforzada, prefabricada, de sección cajón, a todo lo largo del tramo; de 8.2 m de ancho superior (de extremo a extremo del ala) y 1.40 m de peralte.

La subestructura está formada por sistemas de pares de columnas, que en el sentido longitudinal, forman marco con la trabe portante o de apoyo de la superestructura; y que en el sentido transversal trabajan en voladizo.

Los claros principales son de 30.0 m, alternados con claros de 12.0 m. Estos últimos constituyen el claro del marco longitudinal, en el ya mencionado sistema tipo Gerber.

El claro principal de 30.0 m, se integra con los voladizos de las trabes de apoyo o portantes adyacentes (4.50 m cada uno, a ejes) y una trabe central que se apoya simplemente en las narices o ménsulas de los voladizos de las trabes de apoyo; y cuya longitud es de 21.00 m a ejes de apoyos.

Esta trabe de sección cajón aligerada, está pretensada en ambos sentidos. Tiene un presfuerzo paralelo a su eje longitudinal, que se localiza en la losa superior; en el caso de la trabes portantes; y en la losa inferior, en el caso de la trabe central. Adicional a éste presfuerzo longitudinal, se tiene un presfuerzo transversal, que se localiza en la losa superior, perpendicular al eje de la pieza; y que llega a los extremos de los volados, de las alas, de la trabe cajón.

Para el tramo tipo, la contratista asignada, prefabrico y pretensó, a pié de obra, las trabes prefabricadas; y las montó mediante un par de marcos móviles. Para las estaciones, el contratista prefabricó en planta, transportó los elementos, con dollies y módulos hidráulicos, por más de 50 km; y los montó con grúas normales.

Las estaciones, de esta línea, también elevadas, fueron diseñadas y construidas con trabes pretensadas prefabricadas.

La estación San Lázaro está apoyada sobre pares de marcos transversales. La trabe principal de vía, de la superestructura, fue apoyada temporalmente, para poder integrarse al colado de la trabe transversal principal del marco, el que posteriormente se postensó. Apoyadas sobre los marcos y conformando también un sistema tipo Gerber, las trabes de andén, de misma sección geométrica, que la de vía, fueron colocadas a distintas alturas.

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Las siguientes dos estaciones, similares entre sí, tienen trabes en volado laterales para formar los andenes, éstas fueron conectadas monolíticamente y a través de un postensado con la columna. La última estación "Oceanía", tiene un sistema estructural distinto, ya que las trabes de vía, fueron trabes tipo cajón de puente vehicular, de 2.20 m de peralte, con el fin de salvar un claro libre, de más de 60.0 m; cruzando de esta manera el Circuito Interior.

Fig. 6 Metropolitano Línea B

El análisis y el diseño de la columna aislada, en el sentido transversal se hizo cuidadosamente; además de los tradicionales análisis dinámicos lineales, se hicieron análisis modales y del tipo no-lineal.

Se verificaron los desplazamientos de ambos; y se comparó el desplazamiento del análisis dinámico elástico, afectado por un factor de ajuste, Rd, recomendado por el ATC-32 que refleja los desplazamientos máximos inelásticos, que eventualmente pueden ocurrir durante un sismo, tomando en cuenta, los períodos naturales de la estructura; y el predominante del suelo, con un factor reductivo de modificación de respuesta [Ref. ]. El factor Rd esta definido, para las distintas alturas y secciones transversales de las columnas (circulares y oblongos de sección variable) entre 1.90 y 2.1. Aún así, los valores son inferiores a los desplazamientos calculados con el método estático. Los desplazamientos totales para tomar en cuenta los efectos de segundo orden (P-D), no sólo consideraron los efectos de la inercia rotacional, sino también los efectos por la interacción suelo-estructura.

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Adicional a esto, fue necesario contar con espectros de sitio. Dichos espectros resultaron típicos para la zona y el subsuelo; pero con valores de ordenadas de aceleración bajas, para los períodos comprendidos en el tramo de la estructura del Metropolitano.

Priestley y Verma [Ref. 10] de acuerdo, con el diseño por capacidad, recomiendan una relación entre la ductilidad relacionada con el desplazamiento llamada radio, de relación del desplazamiento de ductilidad "m" que está dada por la división del desplazamiento último máximo, entre el desplazamiento correspondiente, al punto de fluencia, de la respuesta elasto-plástica equivalente. Para esto se calcularon las deformaciones por sección, en la considerada zona de articulación plástica, en la parte inferior de las colunmas.

La columna se diseñó con lo que se considera óptimo, en la práctica profesional; se revisaron los armados con las requerimientos recomendados en el ATC-32, para refuerzo volumétrico espiral, con sus adicionales, que están previstos para prevenir pandeo inelástico del refuerzo longitudinal. Se revisó también, por varios reglamentos, la contribución del concreto y el acero a cortante, poniendo énfasis especial, en la zona de articulación plástica, que además se detalló de acuerdo, a las últimas investigaciones y conforme a los últimos reglamentos.

Fig. 7 Detalle de armado de columna de 6.0 m de altura para el Metropolitano Línea B

En la siguiente tabla comparativa se presentan resultados para una columna de 6.0 m de altura.

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Revisión Columna Metropolitano Línea B

T= 0.52 s T= 056 s ANÁLIsIs ANÁLIsIs A. DINÁMIco ESTÁTICO DINÁMICO IiT. S-E, P-D

Q=2 Q=1 Q=1

Momento de Cabeceo 134.52 118.59 133.59

Momento Sísmico Transversal en la Base 643.53 324.67 340.87

M. sísmico Transv + CV Transv 699.33 380.47 396.68

ConFr= 1.32 923.12

ConFr= 1.1 769.26 418.52 436.35

Factor amplificación Transv 1.03 1.03 1.03

M. en la base transv con Fr = 1.32 950.81

M. en la base transv con Fr = 1.1 792.34 431.08 449.44

Momento sísmico long en la Base 275.02 178.2 191.43

0.5 Mslong + M CVlong + M CMlong 291.47 243.06 249.67

ConFr= 1.32 384.74

ConFr= 1.1 320.61 267.36 274.64

Falong 1.01 1.01 1.01

Momento en la Base long Fr = 1.32 388.59

Momento en la base long Fr= 1.1 323.82 270.03 277.38

Resultante Fr = 1.32 1027.15

RESULTANTE FR= 1.1 855.96 508.67 528.14

80 % Estático 684.77

Coeficiente sísmico respectivo 0.45 g 0.6052 g 0.5835 g

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La filosofia del núcleo sismo-resistente, aquí mencionada, se puede aplicar para el caso de viaductos elevados para trenes urbanos, con la misma variedad y opciones estructurales que en los puentes vehiculares, aún usando trabes cajón más anchas. Para el caso de derechos de vías, de trenes normales, se podrá observar en la fig. 8, algunas opciones de estructuración para los marcos transversales.

Conclusiones

El uso de elementos longitudinales, prefabricados y pretensados, en puentes de claros cortos y medianos, es amplio; y salvo raras excepciones, la solución más competitiva. Algunos estudios, han demostrado, que a pesar de carecer de mantenimiento preventivo estos elementos, esta opción ha resultado como una solución durable; y no sólo es la más económica, en estudios de ciclo de vida, sino a corto plazo; tanto en su construcción como incluyendo su elaborado diseño. Los nuevos reglamentos exigen de estructuraciones y sistemas novedosos, que apoyados en las prácticas modernas de diseño de puentes, permitan construir puentes seguros, funcionales, económicos y estéticos. Es factible, que pronto se diseñen y construyan puentes prefabricados, pretensados, empleando nuevos materiales, como los concretos de alto desempeño, cables de presfuerzo de Kevlar o de fibras que permitan salvar claros, más largos; y de manera más eficiente.

El proceso de desarrollo, investigación y aplicación de este sistema estructural, empleado para puentes; fue posible gracias a que las autoridades, en su tiempo, estuvieron muy receptivas; y permitieron, con gran visión, la evolución de éste tipo de puentes urbanos, y que se lograse, en los más de 500,000 metros cuadrados construidos con este sistema, costos muy bajos, obteniéndose estructuras de gran confiabilidad tanto para cargas vivas como para sismo. Tal fué el seguimiento de las autoridades que su participación e interés condujo a la contratación de los principales centros de investigación del país (CENAPRED, Instituto de Ingeniería y Fundación Barrios Sierra) para estudiar más a detalle las propuestas y el comportamiento fisico real de algunas de las estructuras de los puentes y viaductos construidos.

Finalmente conviene mencionar, que nada de lo que se ha hecho hasta ahora, en cuanto a diseño de puentes, y de lo que puede seguir haciéndose; es y será posible, sin la formación de un equipo muy profesional de trabajo entre autoridades y proyectistas, dispuestos al cambio, a la evolución, a la mejora continua y a la creación de tecnología propia. De no llevarse esto a cabo, el rezago en nuestra ingeniería obligará al país a importar tecnología para el diseño de éste tipo de puentes.

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SECCION SOBRE FERROCARRIL INDUSTRIAL NACIONAL ESTADO DE MEXICO

SEECION A 50 Mts. Al 0RENTE DE LA CALLE MELCHOR MUZQUZ

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FIG. 8 MARCOS TRANSVERSALES DE NUCLEOS SISMO - RESISTENTES PARA VIADUCTOS URBANOS DE TRENES Y VEHICULOS

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Referencias y Bibliografia

American Association of State Highway and Transportation Officilas, " Standard Specifications for Highway Bridges" 1992 and Interim Specifications 1993-1995

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Applied Teclmology Council, "ATC-32 Seismic Design Guidelines for Bridges"

CALTRANS, "Bridge Design Specifications Manual ", 1994-95.

MacRae, G.A., "P-D Effects on Single-Degree-of-Freedom Structures in Earthquakes", Earthquake Spectra EERI, Vol 10 No. 32 Aug. 1994, PP. 539-568

Nutt, R.V., "Reconimended Seismic Design Provisions for Bridges", Proceedings of the National Seismic Conference on Bridges and Highways, DeclO-13, 1995, San Diego California, FHA and CDT

Priestley, M.J.N.,Verma, R., y Xiao, Y., "Seismic Shear Strength of Reinforced Concrete Columns", Journal of Structural Engineering, Vol. 120, No. 8, Aug. 1994, pp. 23 10-2329

Priestley, M.J., Park, R., "Strength and Ductility of Concrete Bridge Columns Under Seismic Loading", ACI Structural Journal, Jan.-Feb. 1987 No. 84-S8, pp. 61-76

Riobóo, José María, "A New Dimension In Precast Prestressed Concrete Bridges For Congested Urban Areas In High Seismic Zones", PCI Journal, Vol. 37, no. 2, MarchlApril 1992,pp 45-66

Verma, R., Priestley, M.J.N., "Optimal Trends in Seismic Design of Single Colunm Circular Reinforced Concrete Bridge Piers", Earthquake Spectra EERT, Vol 10 No. 32 Aug. 1994, pp. 589-611

Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal y sus Normas Técnicas, DDF.

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FOTOGRAFIAS Y DIBUJOS

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FIG. 4 NUCLEO SISMO - RESISTENTE

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FIG. 8 MARCOS TRANSVERSALES DE NUCLEOS SISMO - RESISTENTES PARA VIADUCTOS

URBANOS DE TRENES Y VEHICULOS

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SECCION SOBRE FERROCARRIL INDUSTRIAL NACIONAL ESTADO DE MEXICO

SEECION A 50 Mts. AL ORIENTE DE LA CALLE MELCHOR MIJZQUIZ

SINTESIS EVOLUCIÓN DE PUENTES Y VIADUCTOS URBANOS A BASE DE

ELEMENTOS PREFABRICADOS

José María Riobóo Martin

Introducción

A partir del desarrollo del presflierzo en la década de los cuarenta, se comenzó la construcción y el diseño de puentes presforzados. En los Estados Unidos, en las décadas de los años sesentas y setentas, se desarrollo con gran aceleración, el uso de elementos estandarizados; estos elementos longitudinales son rectos, y están simplemente apoyadas en caballetes o estribos; y trabajan en sección compuesta con firmes de concreto reforzado colado en el lugar de espesores importantes.

La estandarización y tipificación de estos elementos permitió reducir el tiempo de diseño de las superestructuras de los puentes y sus correspondientes costos; pero esto, que en principio representa una gran ventaja, trajo como efecto a largo plazo, un estancamiento en el diseño y la imposibilidad de desarrollar elementos nuevos y por consecuencia se perdió eficiencia en el diseño de puentes prefabricados de concreto. Hoy en día, se puede afirmar, que los puentes AASHTO se encuentran entre los que tienen, mayor cantidad de material y por ende, entre los más costosos. En nuestra medio, ese exceso de costo, es de gran importancia; y se refleja en nuestra economía.

Por otra parte, la solución con elementos longitudinales, prefabricados, simplemente apoyados, no es la más económica; y no resuelve por completo, aspectos de seguridad sísmica en estribos o columnas aisladas; en por lo menos una de las dos direcciones de los puentes; además, de que para puentes carreteros localizados en lugares aislados, el aspecto estético, que esta solución ofrece, no es la mejor.

En Europa, los puentes suelen ser mucho más interesantes; ellos fueron construidos, durante varias décadas, a base de cajones tipo canal, aligerados, colados en sitio y muchos de ellos postensados. Generalmente han resultado extremadamente caros y pesados, con limitaciones constructivas grandes, obras falsas complicadas y tiempos de ejecución notables, pero salvando claros mayores, a un costo también mayor, en comparación con los construidos en los Estados Unidos.

En México el desarrollo del presfuerzo y la prefabricación ha permitido buscar y encontrar soluciones estructurales para puentes muy interesantes. Nuestros fabricantes de elementos de concreto, han sido mas flexibles al aventurarse con nuevas formas, secciones y dimensiones. El trabajar sin los catálogos de elementos estandarizados; ha permitido la innovación y la implernentación de nuevas ideas. Por otra parte, el desarrollo de equipos de fabricación, transporte y montaje de elementos prefabricados de concreto, modernos y eficientes, ha permitido también realizar diseños más osados.

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Dadas las condiciones económicas de nuestro país, estamos obligados a la búsqueda de mejores soluciones estructurales y económicamente más eficientes y agradables.

Diseño Sísmico de Puentes

Los puentes de claros cortos y/o medianos cuentan con estructuras con características diferentes a las de los edificios. Tienen sistemas estructurales más sencillos, períodos más cortos, carecen de alto grado de redundancia y en los puentes es una práctica no deseable, la formación de articulaciones plásticas en la superestructura, que es la parte de los puentes, que soporta la carga viva móvil; y debido a ello, en los puentes, se elige, como lugar para que ocurran las deformaciones inelásticas, a la subestructura (columnas y estribos). Contrario a lo que sucede en los edificios.

La localización de las articulaciones plásticas se identifican desde la fase conceptual de diseño y se debe tener gran cuidado al diseñar dichas zonas y para asegurar que una respuesta a flexión inelástica dúctil se alcance, es esencial que los modos de deformación, no dúctil, se inhiban, situación que se revisa durante el diseño.

Un gran numero de los puentes dañados, debido a los efectos de los últimos sismos que se han presentado en el mundo, han tenido el atenuante, de que se habían identificado como potencialmente sujetos a daños o colapsos; y algunos de ellos, estaban en lista, aguardando recursos para su refuerzo y rehabilitación. Otros fueron diseñados por reglamentos caducos y otros tantos presentaban problemas adicionales.

Los reglamentos en los últimos años han incorporado los aprendizajes de los últimos sismos importantes en el mundo.

Eficiencia en el Manejo de Cargas Verticales

En la búsqueda para eficientar y desarrollar las estructuras de los puentes, se ha encontrado un sistema innovador; que aprovecha las ventajas propias de la prefabricación y presfuerzo de elementos de concreto (claros grandes con peraltes menores, mayor calidad, durabilidad y economía), basados en un sistema tipo Gerber, en lo que hemos llamado continuidad isostática, con grandes ventajas: manejo de claros largos con piezas cortas, menos material y menos peso y un diseño más óptimo de los elementos que lo conforman.

Por otra parte, la cimentación aislada por cada par de columnas, junto con la articulación entre las trabes de apoyo y las centrales; permiten un manejo adecuado de los hundimientos diferenciales entre marcos, aún en las peores zonas de subsuelo de la Ciudad de México.

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Trabes de Sección Cajón

La solución tipo Gerber a base de dos tipos de trabes, unas de apoyo y otras simplemente apoyadas; permite que cada una de ellas trabaje o soporte el momento predominante, del mismo signo; y no requiere de postensado. Estas trabes se arman con presfuerzo recto, sin desviaciones, que encarecerían la solución. La sección cajón da además gran rigidez a torsión y resulta óptima con losas voladas a los lados en su sección transversal.

Núcleos Sismo-resistentes

Las trabes de apoyo forman marcos en el sentido longitudinal del puente, con el par de columnas correspondientes; y para ello se emplea una conexión de tipo monolítica; que asegura, por otra parte, la formación de un par de marcos transversales a la dirección del puente, integrado por las columnas y con trabes semi-prefabricadas o coladas en sitio. De esta manera se crean "núcleos sismo-resistentes", es decir, zonas de formación de marcos longitudinales y transversales.

Conexión Trabe-Columna

La formación de los centros sismo-resistentes con trabes prefabricadas, es posible gracias a la conexión diseñada para el caso. La trabe de apoyo con doble volado, tiene, coincidiendo con los ejes de la columna, una caja tronco-cónica piramidal, por donde pasan los aceros tanto de la columna (con los zuncho o estribos colocados posterior a la trabe), como los de las trabes (longitudinales y transversales).

Distribuidor Zaragoza - Puenteros

Recientemente se ha construido en la ciudad de México un conjunto de puentes denominado Distribuidor Zaragoza-Puenteros; estos puentes se diseñaron y se construyeron de acuerdo a la solución estructural que nos ocupa; sin embargo, debido a características especiales se llevaron a cabo algunos cambios respecto al proyecto estructural tipo.

La solución estructural empleada en este proyecto, consta de un sistema de dos marcos transversales, de dos niveles, separados una distancia de 5.0 m. Los marcos se forman con dos columnas prefabricadas pretensadas y trabes de cabezal también prefabricadas y postensadas posteriormente con las columnas, una por nivel y por eje. Los marcos transversales están acoplados en el sentido longitudinal, mediante una losa de concreto que va de marco a marco; y varios puntales colocados en las trabes o cabezales, en su parte inferior. Adicionalmente a esto, hay contraventeos metálicos cruzados, en forma de X, en ambos niveles y dos tubos metálicos longitudinales colocados a la altura de los cabezales.

Entre cada sistema de dos marcos transversales, o cada centro sismo-resistente, se apoyan simplemente trabes aligeradas prefabricadas pretensadas de sección cajón, como las utilizadas en los puentes de un solo nivel, de longitud y número variable, según las características geométricas y viales del tramo, pudiéndose apoyar hasta seis trabes por nivel.

Viaductos Elevados para Trenes Urbanos

En México existen ahora cuatro viaductos elevados, para trenes tipo Metro, tres se ubican en la Ciudad de México y uno en Monterrey. Los sistemas estructurales empleados en ellos, se han ido mejorando conforme a la experiencia

Si comparamos los sistemas estructurales a base de dovelas con los que emplean elementos prefabricados longitudinales, se puede decir, que la construcción segmental es óptima para cañadas, barrancas o claros mayores a 90.0 m; con peraltes importantes; pero que para el caso de puentes de menor claro; este sistema, en comparación con el de trabes prefabricadas y pretensadas, presenta muchísimas desventajas y resultan muy costosas y lentas de construir.

El viaducto elevado para trenes urbanos mas recientemente iniciado en nuestro país; es el que corresponde a la Línea B del metro de la ciudad de México.

Para definir la solución estructural; se compararon varios sistemas de superestructura; llegándose a una solución consistente en: trabes de las utilizadas en los puentes vehiculares y una subestructura, formada con una sola columna, en voladizo; y con trabes transversales postensadas.

Metropolitano Línea B

La superestructura está formada por una sola trabe presforzada pretensada, tanto transversal como longitudinalmente, prefabricada, de sección cajón, a todo lo largo del tramo; de 8.2 m de ancho superior (de extremo a extremo del ala) y 1.40 m de peralte.

La subestructura está formada por sistemas de pares de columnas, que en el sentido longitudinal, forman marco con la trabe portante o de apoyo de la superestructura; y que en el sentido transversal trabajan en voladizo.

Los claros principales son de 30.0 m, alternados con claros de 12.0 m. Estos últimos constituyen el claro del marco longitudinal, en el ya mencionado sistema tipo Gerber.

El claro principal de 30.0 m, se integra con los voladizos de las trabes de apoyo o portantes adyacentes (4.50 m cada uno, a ejes) y una trabe central que se apoya simplemente en las narices o ménsulas de los voladizos de las trabes de apoyo; y cuya longitud es de 21.00 m a ejes de apoyos.

Las estaciones, de esta línea, también elevadas, fueron diseñadas y construidas con trabes pretensadas prefabricadas.

El análisis y el diseño de la columna aislada, en el sentido transversal se hizo cuidadosamente; siguiendo no sólo los regalmentos más importantes del mundo sino el conocimiento de la práctica y los resultados de las últimas investigaciones.

La filosofia del núcleo sismo-resistente, yaí mencionada, se puede aplicar para el caso de viaductos elevados para trenes urbanos, con la misma variedad y opciones estructurales que en los puentes vehiculares, aún usando trabes cajón más anchas. Para el caso de derechos de vías, de trenes normales, se podrá observar en la fig. 8, algunas opciones de estructuración para los marcos transversales.

Conclusiones

El uso de elementos longitudinales, prefabricados y pretensados, en puentes de claros cortos y medianos, es amplio; y salvo raras excepciones, la solución más competitiva. Algunos estudios, han demostrado, que a pesar de carecer de mantenimiento preventivo estos elementos, esta opción ha resultado como una solución durable; y no sólo es la más económica, en estudios de ciclo de vida, sino a corto plazo; tanto en su construcción como incluyendo su elaborado diseño. Los nuevos reglamentos exigen de estructuraciones y sistemas novedosos, que apoyados en las prácticas modernas de diseño de puentes, permitan construir puentes seguros, funcionales, económicos y estéticos. Es factible, que pronto se diseñen y construyan puentes prefabricados, pretensados, empleando nuevos materiales, como los concretos de alto desempeño, cables de presfuerzo de Kevlar o de fibras que permitan salvar claros, más largos; y de manera más eficiente.

El proceso de desarrollo, investigación y aplicación de este sistema estructural, empleado para puentes; fue posible gracias a que las autoridades, en su tiempo, estuvieron muy receptivas; y permitieron, con gran visión, la evolución de éste tipo de puentes urbanos, y que se lograse, en los más de 500,000 metros cuadrados construidos con este sistema, costos muy bajos, obteniéndose estructuras de gran confiabilidad tanto para cargas vivas como para sismo. Tal fué el seguimiento de las autoridades que su participación e interés condujo a la contratación de los principales centros de investigación del país (CENAPRED, Instituto de Ingeniería y Fundación Barrios Sierra) para estudiar más a detalle las propuestas y el comportamiento fisico real de algunas de las estructuras de los puentes y viaductos construidos.

Finalmente conviene mencionar, que nada de lo que se ha hecho hasta ahora, en cuanto a diseño de puentes, y de lo que puede seguir haciéndose; es y será posible, sin la formación de un equipo muy profesional de trabajo entre autoridades y proyectistas, dispuestos al cambio, a la evolución, a la mejora continua y a la creación de tecnología propia. De no llevarse esto a cabo, el rezago en nuestra ingeniería obligará al país a importar tecnología para el diseño de éste tipo de puentes.

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