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1 2 d e m a y o d e 2 0 1 0
TIPOLOGÍA DE
ESTRUCTURAS
PUENTES COLGANTES: PUENTE DE
VERRAZANO NARROWS
Esther Moreno García
Ricardo Ortega MuñozJesús Ruiz Ruiz
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 1
Tipología de estructuras. Año 2009/2010
PUENTE COLGANTE: VERRAZANO NARROWS BRIDGE
ÍNDICE
1. AUTOR
1.1- Biografía
1.2- Obras principales
1.2.1- Puente George Washington
1.2.2- Puente Bayonne
1.2.3- Puente Triborough
1.2.4- Puente Bronx-Whitestone
1.2.5- Puente Throg´s Neck
1.2.6- Puente Verrazano Narrows
1.3- Evolución de sus obras
2. OBRAS
2.1- Por qué merece la pena estudiar su obra
2.2- Descripción de la obra
3. TIPOLOGÍA: PUENTES COLGANTES
3.1- Historia de los puentes colgantes
3.1.1- El viento en la ingeniería de puentes
3.1.2- Proporciones en los puentes colgantes
3.2- Principios básicos de los puentes colgantes
3.3- Estructura de los puentes colgantes
3.4- Aspectos especiales de análisis, diseño y construcciónde puentes colgantes
3.5- Modelo en SAP 2000
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 2
Tipología de estructuras. Año 2009/2010
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1.- AUTOR
"In bridge designing, the aesthetics are quite as important as
engineering details. It is a crime to build an ugly bridge."
1.1.- BIOGRAFÍA
Othmar Ammann nació en Schaffhausen, Suiza, el 26 de Marzo de 1879.
Estudió ingeniería en el Polytechnikum en Zürich, Suiza. Polytechnikum, como
se considera por muchos, es una de las primeras universidades de Europa. En
1904, emigró a los Estados Unidos, donde trabajó sobre todo en la ciudad de
Nueva York. En 1905 volvió a Suiza para casarse con Lilly Selma Wehril.
Tuvieron 3 niños antes de que ella muriera, en 1933. Después volvió a Estados
Unidos, donde se casó con Karly Vogt Noetzli, en 1935, en California. Lo
primero que le hizo ganar reconocimiento en el campo de diseño de puentes,fue un informe que escribió sobre el fracaso del Puente de Quebec, en 1907. A
causa de este informe, fue capaz de obtener un puesto de trabajo para Gustav
Lindenthal sobre el puente del ferrocarril Hell Gate. Hacia 1925, Ammann había
sido designado el ingeniero de puentes de la Autoridad Portuaria Nueva York.
Su diseño para un puente sobre el Río Hudson fue aceptado sobre otro
desarrollado por su mentor, Lindenthal, por motivos de coste. Este puente se
convirtió en el puente George Washington. Bajo la dirección de Ammann, fue
terminado seis meses antes de lo previsto y con menos presupuesto del
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original. Los diseños de Ammann para el puente George Washington, y más
tarde el Puente Bayonne, llamaron la atención del maestro de obras Robert
Moses, que colocó a Ammann a su servicio. Los últimos cuatro puentes de
Ammann de los seis construidos por él en la ciudad de Nueva York
(Triborough, Bronx-Whitestone, el Throg´s Neck, y Verrazano-Narrows) fueronconstruidos todos por la Moses' Triborough Bridge and Tunnel Authority. En
1946, Ammann y Charles Whitney fundaron la firma Ammann y Whitney. En
1964, Ammann abrió el Puente Verrazano-Narrows en Nueva York con la luz
más larga del mundo (1298m). Era el puente colgante más pesado de su
tiempo. El Verrazano-Narrows es actualmente el octavo puente con la luz más
larga del mundo, y el de mayor luz en el Hemisferio Occidental. Ammann
también colaboró en la construcción del puente Golden Gate, en San
Francisco, que es actualmente el noveno con la luz más larga del mundo.
Othmar Ammann diseñó más de la mitad de los once puentes que unen la
ciudad de Nueva York al resto de los Estados Unidos. Su talento e ingenio le
ayudaron a crear los dos puentes de suspensión más largos de su tiempo.
Ammann fue conocido por ser capaz de crear puentes ligeros y baratos, siendo
ellos simples y hermosos. Esto lo hizo popular durante la era de la depresión,
siendo capaz de reducir el coste total de la estructura.
1.2.- OBRAS PRINCIPALES
De entre sus obras destacan los seis puentes que construyó en la ciudad deNueva York:
• Puente George Washington (abierto Octubre 24, 1931)
• Puente Bayonne (abierto Noviembre 15, 1931)
• Puente Triborough (abierto Julio 11, 1936)
• Puente Bronx-Whitestone (abierto Abril 29, 1939)
• Puente Throg's Neck (abierto Enero 11, 1961)
• Puente Verrazano Narrows (abierto Noviembre 21, 1964)
En este apartado introducimos una serie de fotografías de cada una de sus
obras, y terminamos con un cuadro resumen que recoge todas las
características técnicas de cada una de ellas.
1.2.1.- Puente George Washington (abierto 24 de Octubre, 1931)
Es un puente colgante que se extiende sobre el río Hudson para conectar
Washington Heights con el municipio de Manhattan en la ciudad de Nueva York
y Fort Lee en Nueva Jersey por medio de la Interestatal 95. Es uno de los
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puentes que más tráfico soporta del mundo. (En 2007, el puente soportó el
tránsito de 107.912.000 vehículos).
En este proyecto Ammann propone la eliminación de vigas de refuerzo,
elementos que habían sido esenciales en los puentes colgantes en épocasanteriores. También propone la eliminación de las armaduras, razonándolo con
la idea de que cuatro cables son suficientes para resistir la fuerza del viento.
El puente George Washington presumió de ser el puente colgante más largo
del mundo hasta el año 1937, que se construyó el Golden Gate (1280m de luz).
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1.2.2.- Puente Bayonne (abierto 15 de Noviembre, 1931)
El puente de Bayonne es el cuarto puente en arco más largo del mundo, y
fue el más largo del mundo en el momento en el que se terminó. Conecta
Bayonne, New Jersey con Staten Island, Nueva York, y cruza el Kill Van Kull.
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1.2.3.- Puente Triborough (abierto 11 de Julio, 1936)
El Puente Robert F. Kennedy, conocido anteriormente como Triborough,
está formado por tres puentes que conectan Manhattan, Queens y Bronx
(Nueva York). Atraviesa dos islas: primero Ward's Island y después
Randall's Island de sur a norte. Los tres puentes salvan el Hell Gate, el río
Harlem, y el estrecho del Bronx Kill. Nosotros nos centraremos en el
primero de ellos, el de mayor longitud. En la siguiente fotografía lo vemos a
la izquierda del Puente Hell Gate.
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1.2.4.- Puente Bronx-Whitestone (abierto 29 de Abril, 1939)
Este puente cruza el East River entre The Bronx (New York) y Queens (New York).
Este puente fue diseñado de manera similar al de Tacoma Narrows,
derrumbado en una tormenta en 1940.
Después del colapso del Puente de Tacoma, a esta obra también se le
coloca una armadura de refuerzo para hacer el puente más estable en
condiciones de viento desfavorable. Fue reparado dejando ocho cables en
cada torre.
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1.2.5.- Puente Throg´s Neck (abierto 11 de Enero, 1961)
El puente conecta el cuello Throggs (Bronx) con el Bayside (Queens). Es el
último puente sobre el East River y fue construido para aliviar el tráfico en eladyacente Puente Whitestone, que abrió sus puertas en 1939. Este fue el
primer trabajo de Ammann después de ver el colapso del Puente de Tacoma.
En lugar de emplear un sistema de placas de aspecto aerodinámico, Ammann
construyó su puente con armaduras de refuerzo bajo el tablero de 8.5m de
profundidad.
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1.2.6.- Puente Verrazano Narrows (abierto 21 de Noviembre, 1964)
Este puente conecta los distritos de Staten Island y Brooklyn, en Nueva York,
cruzando el Río Narrows. Al terminar su construcción, presumía de tener la luz más
larga del mundo (1298m) y de ser el puente más pesado de su tiempo. Actualmente es
el octavo puente más largo del mundo.
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1.3.- EVOLUCIÓN DE SUS OBRAS
El proyecto de los puentes colgantes en la primera mitad del siglo XX vivió una
edad de oro en Estados Unidos, en los años veinte y treinta. La evolución fue haciasecciones transversales del tablero cada vez más esbeltas, volviendo a la idea de las
pasarelas primitivas de la selva, constituidas por troncos de madera transversales
colgados de las lianas laterales. Esto fue así hasta el incidente de Tacoma, en 1940.
(Se hablará de ello más adelante).
Con este incidente se llegó a la conclusión de que los tableros no podían tener una
sección transversal tan flexible y de que, además de la inercia a flexión, también se
necesitaba inercia a torsión. Había que alejar los modos de vibración principales del
puente y, en particular, los modos a flexión y a torsión, que fueron los que provocaron
el flameo de Tacoma.
Después de este incidente apareció “la viga de rigidez”, una gran viga de celosía
metálica con canto del orden 1/150 de la luz.
El puente George Washington, construido por Ammann en 1931, tenía una luz de
1067m con un tablero de 3.30m de canto sin viga de rigidez, con una asombrosa
relación luz/canto de 1/320. Tras el accidente de Tacoma, se apresuraron en añadir un
segundo tablero (ya previsto en el proyecto) debajo del primero, con lo que se dotó al
puente de una potente viga de rigidez de 8.75m de canto quedando su relación
luz/canto de 1/120. El refuerzo se terminó en 1962. Al Puente Bronx Whitestone (1939)
y al Puente Throg´s Neck (1961), también se les coloca una armadura de refuerzo
para hacer el puente más estable en condiciones de viento desfavorable.
Otro punto a estudiar en la evolución de las obras de Ammann es el incremento de luz
conseguido en sus obras. En 1931 construye el puente más largo del mundo (George
Washington), y en 1964 es capaz de aumentar esta longitud en 231m con el Puente
Verrazano Narrows.
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En el siguiente gráfico se han relacionado las luces de los puentes que en su
momento fueron los más largos del mundo con sus fechas correspondientes. Se
puede apreciar un gran salto producido por la construcción del Puente George
Washington. Hasta ese momento el récord permanecía en el Puente Ambassador, que
une Detroit con Windsor.
Analizando el cuadro resumen que se muestra más adelante, también se aprecia un
incremento en la altura del tablero sobre el nivel del agua, llegándose a los 66m en el
Puente de Verrazano Narrows.
Artísticamente, “el carácter de un puente colgante está fuertemente determinado por el
diseño de sus torres” (Stein Mann, 1941). En el diseño del Puente George
Washington, Ammann pretendía disponer unas torres mixtas de acero y hormigón,
idóneas para hacer frente a tan elevado peso. Se pensaba construir primero la parte
metálica y a los pocos años se añadirían dos nuevos cables y se reforzaría la torre
embebiéndola en hormigón. Pero esto no se lleva a cabo, en contra de las intenciones
de Ammann, al considerarse más barato el mantenimiento anual de la estructura
metálica que recubrirla de hormigón y piedra. De ahí que la torre deje el acero al
descubierto. Por las mismas causas, también fue eliminada la envoltura de piedra del
Puente Bayonne.
Ammann siempre buscaba la máxima luz posible a la vez que minimizaba su peso y su
coste en cada una de sus obras. De ahí que varias de sus obras fuesen las de mayor
luz de entre las construidas en ese momento. Fue conocido por ser capaz de crear
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puentes ligeros y baratos. Esto lo hizo famoso sobre todo durante la era de la
depresión económica.
GeorgeWashington Bayonne Triborough Bronx-Whitestone Throg´s Neck VerrazanoNarrowsConstrucción 1927-1931 1928-1931 1929-1936 1937-1939 1957-1961 1959-1964
Estado En uso En uso En uso En uso En uso En uso
Localización Entre
Manhattan (New
York) y Fort Lee
(New Jersey)
Entre Staten
Island (New
York) y
Bayonne
(Condado de
Hudson, New
Jersey)
Entre The Bronx
(New York) y
Queens (New
York)
Entre The Bronx
(New York) y
Queens (New
York)
Entre The Bronx
(New York) y
Queens (New
York)
Entre Staten
Island (New
York) y Bay
Ridge (Brooklyn,
New York)
Cruza Río Hudson Kill van Kull East River East River East River Verrazano
NarrowsTipo deEstructura
Puente
colgante, doble
tablero.
Puente en
arco
Puente colgante Puente colgante Puente colgante Puente colgante,
doble tablero
Uso Puente de
autovía/
autopista
Puente de
autovía/
autopista
Puente de
autovía/
autopista
Puente de
carretera
Puente de
autovía/
autopista
Puente de
autovía/
autopista
Materiales - Cables de
acero
- Torres de
acero
- Armadura del
tablero de acero
- Tablero de
acero
- Arco de
acero
- Cantidad de
acero utilizado:
16.520 t
-
Superestructura
de acero
- Cables de
acero
- Cables de
acero
- Pilones de
acero
- Armadura del
tablero de acero
- Cables de
acero
- Armadura del
tablero de acero
- Cables de
acero
- Pilones de
acero
- Armadura del
tablero de acero.
- Cantidad de
acero utilizado:
144.000 t
Dimensiones - Tramo
Principal:
1067m
- Tramos
laterales: 186m
- Profundidad
del tablero:
8.8m
- Anchura del
tablero: 36.3m- Altura de la
torre: 183m
- Nº de cables:
4
- Nº de carriles:
8
- Luz: 504m
- Altura en
mitad de luz
sobre el nivel
del agua:
45.7m
- Nº de
carriles:4
- Tramo
principal:
420.9m
- Tramos
laterales:
214.8m
- Altura sobre el
nivel del agua:
41.1m
- Nº de carriles:8
- Tramo
principal: 701m
- Tramos
laterales: 224m
- Altura sobre el
nivel del agua:
41.1m
- Tramo
principal: 549m
- Tramos
laterales:
210.3m
- Altura sobre el
nivel del agua:
41.1m
- Nº de carriles:
6
- Tramo
principal:
1298.45m
- Tramos
laterales:
370.33m
- Nº de cables: 4
- Longitud
suspendida:
1.6km- Altura sobre el
nivel del agua:
66m
- Nº de carriles: 6
- Altura de los
pilones: 207m
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2.- OBRA
2.1.- POR QUÉ MERECE LA PENA ESTUDIAR SU OBRA
Merece la pena estudiar el Verrazano Narrows Bridge ya que es uno de los
máximos exponentes de los puentes colgantes en el mundo (en su día fue el de mayor
vano central) siendo un logro de la ingeniería en la época en la que se realizó, en la
que el análisis estructural era muy complejo debido a la falta de métodos
computacionales.
2.2.- DESCRIPCIÓN DE LA OBRA
El marco regional en el que se engloba el Verrazano Narrows bridge se
muestra en la siguiente figura:
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Gracias a esta nueva vía de comunicación, arteria fundamental de Nueva York,
es posible llegar desde Staten Island a Brooklyn.
La sección longitudinal es la siguiente:
Este puente dispone de doble tablero y de una viga de rigidez considerable de 7,3 m
de canto (1/178). Es más esbelto, pero en sección cajón desde el principio, aunque al
principio solo se iba a utilizar el tablero superior.
En la siguiente tabla se expone la información técnica más importante de esta obra:
Numero de hilos por cable 26108
Longitud total de los hilos usados 263910 Km
Longitud de un cable 2196,084 m
Diámetro de cable 88,9 cm
Anchura del puente 31,3944 m
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El número de pernos y remaches utilizados en cada torre asciende a un millón y tres
millones respectivamente.
La longitud del puente es tan grande que fue necesario tener en cuenta la curvatura de
la tierra a la hora de proyectar las pilas, por lo que las pilas están separadas 4,12 cm
más en la parte superior que en la inferior.
La sección tipo del Verrazano Narrows Bridge es la siguiente:
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Consiste en un tablero de 2 alturas con 6 calzadas en cada una de ellas. La unión del
tablero superior y posterior se realiza mediante una celosía que le confiere rigidez al
conjunto. El acceso al tráfico a través del tablero superior fue inaugurado en 1964 y en
1969 el inferior.
Los anclajes consisten en una gran mole de hormigón que resiste los esfuerzos detracción que le llegan a través de los cables mediante el rozamiento que crea su peso.
En las siguientes figuras aparecen esquematizados:
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 20
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 21
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Protección frente a la corrosión de los cables:
La construcción de los cables se realiza mediante hilado aéreo y
la protección contra la corrosión mediante la envoltura del cable
y mínio. El mínio es un óxido de plomo de color anaranjado o
rojo que ayuda a la protección frente a la corrosión.
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Parámetros de vibraciones y efectos dinámicos
La rigidez vertical tiene un valor de 702 y una frecuencia de 6,2 ciclos/min.
Para movimientos torsionales el valor de la rigidez es menor (448) con una frecuencia
de 11,9 ciclos/min.
3.- TIPOLOGÍA: PUENTES COLGANTES
3.1.- HISTORIA DE LOS PUENTES COLGANTES
El hecho de trabajar a tracción todos los componentes principales del
puente colgante ha sido causa del escaso desarrollo que ha tenido este tipo de
puente hasta el pasado siglo; así, ha permanecido en el estado primitivo que
aun se encuentra en las zonas montañosas de Asia y América del Sur (simples
pasarelas formadas por trenzados de fibras vegetales) hasta que se dispuso demateriales de suficiente resistencia y fiabilidad para sustituirlas.
Entre 1820 y 1826, Telford construyó un puente colgante sobre el Menai, en
Inglaterra, salvando un vano de 177m y utilizando como elementos de
suspensión dos cadenas de eslabones de hierro forjado; cada uno de ellos fue
probado antes de montarlo. Después se tendieron ambas cadenas, y de ellas
se colgó el tablero. La falta de arriostramiento hizo que todo el puente debiera
ser montado dos veces antes de su total reconstrucción en 1940, pero de todos
los primeros puentes colgantes del mundo es el que más años ha sobrevivido.
Las cadenas fueron sustituidas por cables por primera vez en un puente
francés. La dificultad para conseguir cables de suficiente grosor y longitud, que
resistieran los enormes esfuerzos de tracción originados por las cargas en los
grandes vanos fue resuelta por John Roebling. Este americano de origen
alemán inventó, en 1841, un procedimiento para formar in situ, a partir de la
reunión de alambres paralelos, los cables que habían de soportar el puente del
Grand Trunk, de 250 m de vano, aguas abajo de las cataratas de Niágara. Así
se abrió el camino para la construcción de puentes colgantes cada vez más
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 23
Tipología de estructuras. Año 2009/2010
PUENTE COLGANTE: VERRAZANO NARROWS BRIDGE
largos, el cual culminó en el de Verrazzano Narrows, a la entrada del puerto de
Nueva York, sobre un vano de 1.298m (el más largo de América), y el de
Humber, Inglaterra, con un vano de 1.410m de luz (el más largo de Europa).
El puente colgante es, de por sí, una estructura de poca rigidez que precisa demedidas especiales encaminadas a proporcionarle la resistencia conveniente a
los tipos de cargas que más le afectan: el viento transversal y el ferrocarril, con
sus pesadas cargas móviles concentradas. Para conseguir esta rigidez, el
tablero ha de ser reforzado con grandes riostras en celosía (sección
americana), o estar formado por vigas cajón aerodinámicas (sección europea),
y mediante tableros de planchas soldadas a unas vigas cajón, combinación que
proporciona la máxima rigidez con mínimo peso.
Verrazzano Narrows (sección americana) Puente sobre el río Severn (sección europea)
Con puentes colgantes de características singulares cabe destacar los
siguientes: el tendido sobre el río Forth, (en Escocia, Gran Bretaña) con un
tramo central de 1.067m de luz y una longitud total de 1.820m; sobre el
estrecho que separa los lagos Michigan y Hurón, en EE. UU., el puente
colgante de Mackinac, de 1.160m de luz; el de Golden Gate, en la bahía de
San Francisco, también de tipo colgante, con 1.280m de luz y el tablero situado
a 60m de altura sobre el mar; el Narrow Bridge, en la desembocadura del
Hudson, en Nueva York, con una luz de 1.300 m y el tablero a 72 m de altura.
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 24
Tipología de estructuras. Año 2009/2010
PUENTE COLGANTE: VERRAZANO NARROWS BRIDGE
La historia de los puentes colgantes es muy curiosa, el ingenio del hombre y la
naturaleza en una carrera constante.
De todos es conocido el puente de Tacoma Narrows, el Galloping Gertie y casi
todos hemos visto ya el famoso vídeo de su desplome. Las causas de aquellofueron una mezcla de elementos, que juntos, son arrolladores:
• frecuencia natural
• vórtices
• resonancia
Al principio lo solucionaron construyendo más vigas bajo el puente, un armazón
de apuntalamiento, aunque el gasto fue enorme, los puentes de todo el mundo,
incluido el Golden Gate fueron adaptados posteriormente. Parecía que aquel
armazón era el único camino a seguir. Fue así hasta mediados de los años 50,cuando un joven diseñador británico, William Brown, daría con una solución
mucho más sutil, en vez de luchar contra el viento trabajar con él.
3.1.1.- El viento en la ingeniería de puentes
La construcción de puentes colgantes fue el inicio de los problemas
ocasionados por el viento en estas estructuras. En fecha tan temprana como
1836, un puente de cadenas situado en Brighton (Reino Unido) quedó
destruido por una tormenta.
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Más tarde, en 1839, el puente sobre el estrecho de Menai (Reino Unido),
obra de Thomas Telford, también vio su tablero destruido por un vendaval y, en
1854, el puente de Wheeling sobre el río Ohio (Estados Unidos) quedó
destrozado por el viento. Su proyectista era Charles Ellet, uno de los ingenierosmás acreditados de la época, y el suceso impulsó a John Roebling, que a la
sazón estaba construyendo un puente de doble calzada sobre el río Niágara, a
reforzarlo con más cables.
De esta manera, la desaparición del puente de Wheeling quizás alargó la vida
de otros, gracias a las precauciones adicionales que se tomaron.
Sin embargo, ninguno de esos sucesos dio lugar a avances teóricos en el
estudio del comportamiento de estos puentes frente a la acción del viento. La
propia tipología del puente colgante era todavía novedosa y el fenómeno de la
interacción del fluido con la estructura era demasiado complejo para aquellos
años.
El que conmovió a la comunidad de ingenieros de puentes, y a la sociedad
entera, fue el colapso del puente colgante de Tacoma, en el estado de
Washington, de 853 m de luz, en noviembre de 1940, pocos meses después de
su inauguración.
Todos los ingredientes de la tragedia coincidían en este suceso. El puentehabía sido proyectado por Leon Moisseiff, uno de los mejores especialistas, y el
método de cálculo era el más utilizado en la época. Dicho método, conocido
como deflection theory, planteaba que, en un puente colgante, el tablero debe
impedir lo menos posible la deformación de los cables, que son los que
soportarán las cargas adoptando la geometría que corresponda.
Esta teoría ya había servido en un principio para que los tableros tuvieran gran
flexibilidad frente a cargas verticales, de tipo gravitacional, y posteriormente se
había extendido a las cargas horizontales, como las del viento, de manera quefrente a una combinación de ambas los cables adoptarían una geometría
tridimensional y, para facilitarla, el tablero debería ser muy flexible, lo que
conducía a una sección bijácena.
Todos los proyectistas de entonces adoptaron esas hipótesis y según ellas se
concluyeron en esos años dos puentes muy relevantes en Nueva York: el
George Washington con 1.067m de vano en 1931 y el Bronx-Whitestone de
754m en 1939, ambos obra de Othmar Ammann y con tableros similares al de
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Tacoma. En la costa Oeste, en 1937, se inauguró el Golden Gate de San
Francisco, diseñado por J. Strauss y récord del mundo en aquel momento con
1.280m de vano, con un tablero constituido por celosías abiertas que eran, en
realidad, vigas longitudinales sin conexión inferior.
Así pues, el puente sobre los estrechos de Tacoma ni era el récord del mundo,
ni tenía un diseño inusual, ni los métodos de cálculo eran inadecuados, ni su
proyectista era inexperto. Y, por supuesto, las cargas de viento requeridas por
las reglamentaciones oficiales habían sido incluidas en el diseño.
A pesar de ello, su vida fue corta y dolorosa. Desde los primeros días en
servicio experimentó vibraciones verticales de amplitud limitada, producidas por
lo que actualmente se conoce como desprendimiento de torbellinos. En la
mañana del día 7 de noviembre de 1940, con un viento de 64km/h que debería
haber sido soportado perfectamente, el puente empezó a vibrar y
posteriormente se colapsó.
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Nadie tenía una explicación al respecto; o, dicho de otro modo, nadie hubiera
sabido proyectar el puente con técnicas más avanzadas. De hecho, la primera
consecuencia fue reforzar los puentes construidos con ese tipo de tablero y así
se hizo con el Bronx-Whitestone o con el Golden Gate, al que se añadió una
celosía inferior que conectaba los dos laterales y, por lo tanto, aumentaba laresistencia a torsión. Por su parte, al puente George Washington se le añadió
posteriormente una calzada inferior, con lo que el tablero quedaba definido
como el del citado puente de San Francisco.
La segunda consecuencia y conclusión fue utilizar nuevamente ese tipo de
celosías cerradas como diseño habitual.
Fue la solución adoptada para el nuevo puente que se construyó en Tacoma en
lugar del anterior, así como en todos aquellos que se terminaron en los años
siguientes, e incluso hasta fechas tan recientes como 1964, año en que se
abrió al servicio el puente de Verrazzano en Nueva York. A esta etapa de
cautela en el diseño, ocasionada por la incertidumbre del comportamiento de
estos puentes frente a presiones eólicas, se la ha denominado ”efecto
Tacoma”.
La siguiente fue el reconocimiento de que la definición de las acciones del
viento para las que se proyectaban los puentes era inadecuada y que las
cargas estáticas establecidas por los reglamentos eran inferiores, como la
realidad había demostrado, a las que producen las vibraciones que puedenaparecer, incluso con velocidades de viento reducidas. Los ingenieros de
puentes se enfrentaban a ese desafío.
El fenómeno que ocasionó la destrucción del puente de Tacoma tardó en ser
entendido completamente y, al tratarse de una serie de vibraciones de amplitud
creciente, se pretendía asociar entonces, e incluso en épocas recientes, al
fenómeno de resonancia. Sin embargo, eso es erróneo. Como es bien sabido,
la resonancia es la respuesta de una estructura a una carga cíclica en la que la
frecuencia de vibración con que se produce la deformación es la misma que lade la carga actuante y, debido a esta circunstancia, en cada ciclo la
deformación es mayor. Pero como se acaba de decir, se necesita que la carga
actuante tenga una variación armónica. En el caso de Tacoma, y de los
puentes colgantes en general, el colapso por vibración se puede producir en
presencia de viento de velocidad constante; no hace falta que sea variable y
por ello el fenómeno es completamente distinto y se denomina ”flameo”, como
traducción al castellano del término inglés flutter.
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Para salir de la encrucijada hubo que volver la mirada a la aviación. En
aquellos años ya estaba suficientemente desarrollada, y en consecuencia los
conocimientos de aerodinámica se intentaron aplicar a la ingeniería de puentes.
Había nacido un nuevo campo de investigación. Parte de los trabajos fueron de
índole experimental y se llevaron a cabo en túneles de viento (algunos inclusode tipo artesanal). Uno de los protagonistas fue el ingeniero británico William
Brown, que desarrolló un nuevo tipo de secciones transversales para el tablero,
de formas muy suaves, que emulaban las utilizadas en las aeronaves y que en
los ensayos habían manifestado un buen comportamiento frente al viento.
Nacían así las secciones de tableros de puentes de cajón único denominadas
aerodinámicas.
El trabajo de Brown en la empresa Freeman, Fox & Partners dio como
resultado una serie de puentes colgantes con este diseño.
El primer cruce de la desembocadura del río Severn, con un vano de 1.063m y
terminado en el año 1966, inauguró esta tipología de tableros. Resulta
entrañable que el río sobre el que se construyó en el año 1779 el primer puente
de un nuevo material, como era la fundición, fuese el mismo que sirvió para
estrenar nuevamente otro avance en tecnología de puentes.
La sección aerodinámica se consolidó como una magnífica solución y con ella
se construyeron puentes en muchos países, incluyendo el del río Humber en el
Reino Unido, en 1980 y con 1.410m de vano, o el del Gran Belt en Dinamarca,en 1998, con 1.624 m entre torres. En cada momento, ambos ampliaron el
récord mundial de longitud de vano.
La misma solución de tablero se fue aplicando a los puentes atirantados, una
tipología desarrollada en la segunda mitad del siglo XX y que coincidió con la
aplicación generalizada del nuevo tipo de tablero aerodinámico, lo que ha
permitido ampliar el campo de aplicación de este tipo de puentes hasta
longitudes superiores a un kilómetro como en el caso del puente de Sutong en
China, con un vano de 1.088 m.
No obstante, la ingeniería siempre se plantea nuevos retos y la sección
aerodinámica con un único cajón plantea inconvenientes en puentes de vano
ultralargo como los que se han venido proponiendo en Italia para el estrecho de
Mesina, con un vano de 3.300m, o en el estrecho de Tsugaru, en Japón, con
4.000m. En el primero de ellos, el trabajo conjunto de investigación del citado
William Brown y del profesor Giorgio Diana, del Politécnico de Milán, planteaba
como solución una sección de tablero con cajones separados para mejorar el
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comportamiento aeroelástico. Esa sección transversal, aunque ha sufrido
algunos cambios de importancia relativa, ha mantenido en el transcurso de los
años el esquema que aparece en la siguiente imagen, a la espera de que el
puente se construya finalmente.
Una de sus características es que permite una gran reducción del canto, que
en el caso de Mesina es similar al del tablero del Gran Belt, con sección de un
solo cajón, para un vano que es más del doble que el del puente danés.
En la figura se observa que los dos cajones laterales tienen la geometría de un
ala de avión invertida. De forma simplificada, podría decirse que el sentido de
este diseño es que, así como en un avión el objetivo es que vuele, en un
puente se desea lo contrario y de ahí la necesidad de modificar
consecuentemente la posición de esa forma de perfil aerodinámico.
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3.1.2.- Proporciones en los puentes colgantes
En comparación con los puentes atirantados, la altura de las torres
tiene una proporción menor respecto de la luz en los puentes colgantes. De
hecho, del orden de la mitad: la altura de las torres sobre el tablero es del
orden del 0,10 de la luz de un puente de dos torres. Esto es debido, una vez
más, al equilibrio técnico y económico entre la tensión en el cable y la altura de
las torres. Como es sabido, la forma de un cable viene determinada por sus
cargas, y la tensión es tanto más alta cuanto menor es la flecha de la curva que
describe (bajo cargas uniformes, una parábola de segundo grado).
Por otra parte, el canto del tablero es un elemento importante en la estética de
los puentes colgantes, por lo que vamos a dedicar unas líneas a los diferentestipos de tableros y sus cantos correspondientes para puentes colgantes.
El tablero está determinado principalmente por los fenómenos aerodinámicos y
en especial por la inestabilidad de flameo. Este fenómeno, cuyo ejemplo
histórico más conocido afectó al Puente de Tacoma, en Washington (Estados
Unidos), ha condicionado la evolución de los puentes colgantes desde
entonces. En efecto, el proyecto de los puentes colgantes en la primera mitad
del siglo XX vivió una edad de oro en Estados Unidos en los años veinte y
treinta. La evolución fue hacia secciones transversales del tablero cada vezmás esbeltas; era como si los ingenieros de la época hubieran llegado al
convencimiento de que un tablero sin inercia a flexión era suficiente para un
puente colgante (se volvía así a la idea de las pasarelas primitivas de la selva,
constituidas por troncos de madera transversales colgados de las lianas
laterales). Esto fue así hasta el incidente de Tacoma en 1940.
El Puente de Tacoma Narrows tenía una luz de 840 m y un canto de tablero de
2,40 m, una relación 1/350 m. Al investigar las causas del accidente, los más
importantes ingenieros de la época inventaron la aeroelasticidad: se llegó a la
conclusión de que los tableros no podían tener una sección transversal tan
flexible y de que, además de la inercia a flexión, se necesitaba inercia a torsión.
Tal vez entonces no se formuló con precisión, pero lo que se estaba diciendo
era que había que alejar los modos de vibración principales del puente y, en
particular, los modos a flexión y a torsión, que fueron los que provocaron el
flameo del Tacoma. Hoy día, los potentes ordenadores y programas de que
disponemos analizan los primeros 20 modos de vibración con energía creciente
procedente de vientos de hasta 325km/h para comprobar la estabilidad de
estos grandes puentes.
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Después de Tacoma, se inició el reinado de la que se llamó entonces “viga de
rigidez.” Una gran viga de celosía metálica con canto del orden de 1/150 de la
luz. Algunos ingenieros se habían apartado de la tendencia de la época, como
Joseph B. Strauss que, al proyectar el Golden Gate (1937, récord mundial deluz con 1.280 m), ya había dotado el tablero de una viga de rigidez de 7,6m de
canto, relación 1/168.
Después del incidente del Tacoma (con Strauss ya fallecido), ésta se reforzó
para aumentar su rigidez a torsión mediante un plano de arriostramiento
transversal en la cara inferior. Más drástico fue el caso del Puente George
Washington de Manhattan, en Nueva York: el ingeniero autor del proyecto, en
este caso O. H. Ammann (ayudado por Leon Moisseiff, el mejor calculista de la
época), había construido en 1932 un puente de 1.050m de luz con un tablero
de 3,30 m de canto sin viga de rigidez, con una asombrosa relación luz/canto
de 1/320. Tras el accidente de Tacoma, se apresuraron a añadir un segundo
tablero (ya previsto en proyecto) debajo del primero, con lo que se dotó al
puente de una potente viga de rigidez de 8,75m de canto, relación luz/canto de
1/120. El refuerzo se terminó en 1962.
Las cosas se mantuvieron así durante varios años, y la tradición de la viga de
rigidez fue exportada a los grandes puentes japoneses. El récord del mundo lo
posee el Akashi Kaikyo (1998), con 1.991m de luz y viga de rigidez de 14m de
canto.
Todo cambió con el puente sobre el estuario del río Severn, entre Gales e
Inglaterra, en el Reino Unido (Fig. 13). Dicho puente, del año 1966, marcó el
inicio de una nueva etapa y fue el primero que, después de un cuarto de siglo,
abandonó la idea de la viga de rigidez y utilizó una nueva sección transversal
denominada “sección aerodinámica”, porque utilizaba ensayos en túnel de
viento para dimensionar una sección en cajón cerrado que resultara estable al
viento. Se realizaron ensayos seccionales en el laboratorio de Thurleigh (el
NPL) y también los primeros ensayos en modelo completo en un túnel nuevoconstruido a tal efecto. Los resultados de ambos tipos de ensayos fueron
coherentes y el canto del tablero fue de solo 3,05m para 987,5m de luz,
relación 1/324, es decir, del orden de la mitad de lo que se venía utilizando
como viga de rigidez y casi una tercera parte de la viga de rigidez del puente
del estuario del Forth. Esta nueva sección fue impulsada también por la
Administración porque era mucho más económica que las secciones con
grandes vigas de celosía metálicas.
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Este proyecto supuso una innovación muy valiente si tenemos en cuenta el
incidente de Tacoma, y se debe al magnífico ingeniero Sir Gilbert Roberts. En
su equipo, un montón de nombres famosos: William C. Brown, Charles D.
Crosthwaite, Michael F. Parsons y Tom A. Wyatt. Todos ellos trabajaban en la
ingeniería: Freeman, Fox & Partners, hoy día Hider (en adelante, FF&P). Sir Gilbert Roberts había sido el autor, unos años antes, del puente colgante sobre
el estuario del Forth (con viga de rigidez) en Edimburgo, Escocia. Para aquel
puente había estado realizando ensayos aerodinámicos en túnel de viento en el
laboratorio, y los ingenieros de FF&P continuaron haciendo más ensayos para
el del Severn.
Unos años más tarde encontramos a Roberts junto a William C. Brown en el
proyecto del Puente del Bósforo, que fue el siguiente de la familia de sección
aerodinámica. Después proyectó también con sección aerodinámica el Puente
del Humber, que fue récord del mundo con sus 1.410m de luz y 4,5m de canto,
relación luz/canto: 313.
Finalmente, llegó el proyecto del puente sobre el estrecho de Mesina, en Italia,
con una luz de 3,3km, es decir, más de vez y media el récord actual, con torres
de 315m de altura sobre el tablero y con una relación altura/luz que no llega al
0,10 de la luz. Y resulta que el autor del proyecto es, precisamente, William C.
Brown, que fundó su propia empresa y se fue a vivir a Italia para diseñar el
mayor desafío de todos los tiempos. Los ensayos aerodinámicos se llevaron a
cabo en el laboratorio del Politécnico de Milán. Durante los primeros ensayos,con una sección aerodinámica de la escuela inglesa de FF&P, no se lograba la
estabilidad del puente bajo el viento de diseño de 325km/h (90 m/s). Para el
Puente del Bósforo, Brown había propuesto una sección partida en dos mitades
que no le había sido admitida y, recordando aquella idea, preparó una maqueta
partida en dos longitudinalmente, con las mitades unidas pero a cierta
distancia.
Lo ensayó en el laboratorio y… ¡Eureka! Funcionó. Después, partió la maqueta
en tres para alojar en medio el ferrocarril y logró mayor estabilidad. Había dadocon la solución definitiva para el Puente de Mesina (siguiente figura): una
sección transversal a la inglesa pero separada en tres piezas que, a su vez, se
unían con riostras transversales. Había nacido una nueva generación de
secciones transversales para grandes puentes colgantes. Curiosamente, este
tipo de sección se ha empleado por primera vez en un puente atirantado, el
Stonecutters.
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Así se ha pasado de la viga de rigidez de 14m de canto y 35,5m de ancho del
Akashi Kaikyo, actual récord del mudo con 1.991m de luz (relación 1/142), a los
2,69m (riostras 4,69) de canto de Mesina, con 3,3kilómetros de luz y relación
1/1.227 respecto del cajón (o relación 1/703 respecto de las riostras).
3.2.- PRINCIPIOS BÁSICOS DE LOS PUENTES COLGANTES
Los principios de funcionamiento de un puente colgante son relativamente
simples. La implementación de estos principios, tanto en el diseño como en la
construcción, es el principal problema de ingeniería.
En principio, la utilización de cables como los elementos estructurales másimportantes de un puente tiene por objetivo el aprovechar la gran capacidad
resistente del acero cuando está sometido a tracción.
Con la geometría más sencilla de puente colgante, para simplificar las
explicaciones y crear un paralelismo con la secuencia de los procesos
constructivos, el soporte físico de un puente colgante está provisto por dos
torres de sustentación, separadas entre sí. Las torres de sustentación son las
responsables de transmitir las cargas al suelo de cimentación.
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Las torres de sustentación pueden tener una gran diversidad de geometrías y
materiales de construcción (la cimentación de las torres de sustentacióngeneralmente es construida en hormigón armado por su permanente contacto
con el agua y la tierra, aunque la superestructura puede ser de acero, hormigón
armado e inclusive de madera), pero generalmente presentan como
característica típica una rigidez importante en la dirección transversal del
puente y muy poca rigidez en la dirección longitudinal. Este se constituirá en un
factor importante para la estructuración de todo el puente colgante.
Apoyados y anclados en la parte alta de las torres de sustentación, y ubicados
de una manera simétrica con relación al eje de la vía, se suspenden los cablesprincipales de la estructura (generalmente un cable a cada lado de la torre).
Debido a que los cables principales van a soportar casi la totalidad de las
cargas que actúan sobre el puente, se suele utilizar acero de alta resistencia
(esfuerzos de rotura superiores a los 15000Kg/cm2). Este hecho implica que se
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debe tener mucho cuidado con los eventuales procesos de soldadura que
podrían disminuir la resistencia de dichos cables. Adicionalmente, con el objeto
de que los cables tengan la flexibilidad apropiada para trabajar exclusivamente
a tracción, los cables de gran diámetro están constituidos por un sinnúmero de
cables de diámetro menor.
De los cables principales se sujetan y se suspenden tensores, equidistantes en
la dirección longitudinal del puente, que generalmente son cables de menor
diámetro o varillas de hierro enroscadas en sus extremos.
La separación entre tensores es usualmente pequeña, acostumbrándose
valores comprendidos entre 3 y 8ms.
De la parte inferior de los tensores sostenidos en cables principales de eje
opuesto, se suspenden elementos transversales (vigas prefabricadas de acero,
de hormigón e inclusive de madera para puentes secundarios) que cruzan la
vía a lo ancho.
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De igual forma, en la dirección longitudinal del puente, de la parte inferior de los
tensores se suspenden y sujetan elementos longitudinales (vigasprefabricadas) que unen todos los tensores.
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Las vigas longitudinales conforman una estructura similar a una viga continua
sobre apoyos elásticos. Cada tensor constituye un apoyo elástico. Este
esquema de funcionamiento estructural permite que las dimensiones
transversales de las vigas longitudinales (y de las vigas transversales)
dependan de la distancia entre tensores y no dependan de la distancia entretorres de sustentación.
Las vigas transversales y longitudinales conforman una malla de elementos
estructurales sobre un plano horizontal.
La malla de vigas longitudinales y transversales se puede arriostrar y rigidizar
mediante diagonales y contradiagonales.
La colocación de las diagonales y contradiagonales persigue la formación de
un diafragma horizontal de gran resistencia a la flexión en la dirección
horizontal (similar a una losa en un edificio). La viga Vierendel que se formaríasolamente con las vigas transversales y longitudinales, es normalmente
insuficiente para resistir las solicitaciones transversales al puente sobre ese
plano horizontal (acción dinámica de los sismos y del viento).
Apoyada en las vigas transversales se construye la estructura que soportará
directamente a los vehículos que circulan por el puente. Usualmente esta
estructura es una losa de hormigón, pero podría ser una estructura con
planchas metálicas. Debido a la gran rigidez de la losa sobre el plano
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horizontal, en caso de su uso podría prescindirse del uso de diagonales y
contradiagonales. En el caso de una superestructura metálica para la
circulación vehicular, las diagonales y contradiagonales (o algún otro
mecanismo de rigidización) serán necesarios.
En principio, la carga viva vehicular es transmitida a su estructura de soporte; la
estructura de soporte vehicular transmite la carga viva y su propio peso a las
vigas transversales; las vigas transversales con sus cargas, a su vez, se
sustentan en los tensores; los tensores, y las cargas que sobre ellos actúan,
están soportados por los cables principales; los cables principales transmiten
las cargas a las torres de sustentación; y, por último, las torres de sustentación
transfieren las cargas al suelo de cimentación. Claramente se puede establecer
una cadena en el funcionamiento de los puentes colgantes; la falla de
cualquiera de los eslabones mencionados significa la falla del puente en su
conjunto.
Si bien la explicación del funcionamiento del modelo presentado es ideal desde
un punto de vista didáctico, pues se analizan uno a uno los distintos elementos
estructurales y su influencia sobre otros tipos de elementos, la geometría
presentada hasta el momento no es la más apropiada para un puente colgante,
pues la tensión en el extremo de los cables principales se convierte en unaacción que no puede ser soportada directamente por las torres de sustentación.
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La componente vertical de la tensión del cable es fácilmente resistida por las
torres de sustentación, pero la componente horizontal produciría volcamiento.
Para superar este limitante se deben crear mecanismos que permitan a la torre
compensar esa fuerza horizontal.
Una primera alternativa, válida exclusivamente para puentes de pequeñas
luces (hasta 40m.) consiste en crear torres de sostenimiento tipo pórtico en la
dirección longitudinal, lo que facilita la estabilización de la carga proveniente delos cables principales.
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 40
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En puentes de grandes luces, la primera fase de la solución del problema
consiste en extender el puente y los cables principales hacia el otro lado de la
torre, para equilibrar total o parcialmente las cargas permanentes.
En caso de no disponerse de una longitud apropiada hacia los extremos del
puente (muchas veces en zonas montañosas el acceso a los puentes es muy
restringido), se pueden construir contrapesos como parte de los volados.
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La carga muerta no equilibrada y la carga vehicular que circula por el tramo
central son resistidas por anclajes gravitacionales de los cables, en susextremos. La carga vehicular actuante en los tramos extremos del puente
puede ser resistida por estribos. Generalmente los estribos son convertidos en
anclajes para los cables.
Con el objeto de reducir los costos de los macizos de anclaje, los estribos son
construidos en hormigón armado, conformándose celdas selladas llenas de
lastre (piedra y tierra) dentro de los estribos.
Esta estructuración de los puentes colgantes permite resistir eficientemente lascargas gravitacionales, pero existen otras alternativas de estructuración, como
puentes colgantes continuos, puentes con un solo eje central de cables,
puentes con más de un cable en los extremos de la vía, etc.
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TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS 42
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3.3.- ESTRUCTURA DE LOS PUENTES COLGANTES
En los puente colgantes, la estructura resistente básica está formada por
los cables principales, que se fijan en los extremos del vano a salvar, y tienen
la flecha necesaria para soportar mediante un mecanismo de tracción pura, las
cargas que actúan sobre él.
Paradójicamente, la gran virtud y el gran defecto de los puentes colgantes se
deben a una misma cualidad: su ligereza. La ligereza de los puentes colgantes,
los hace más sensibles que ningún otro tipo al aumento de las cargas de tráfico
que circulan por él, porque su relación peso propio/carga de tráfico es mínima;
es el polo opuesto del puente de piedra.
Actualmente los puentes colgantes se utilizan casi exclusivamente para
grandes luces (mayor vano que en el caso de puentes atirantados); por ello,
salvo raras excepciones, todos tienen tablero metálico.
Los anclajes en los puentes colgantes para los cables principales suelen ser
enormes bloques de hormigón diseñados para resistir, con la masa y la fricción,
el vuelco y el deslizamiento que aplique el cable principal. Si las condiciones
locales lo permiten, se podría anclar en roca. Los anclajes contienen cadenas
de acero incrustado conectados a los cables de la red principal.
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3.4.- ASPECTOS ESPECIALES DE ANÁLISIS, DISEÑO YCONSTRUCCIÓN DE PUENTES COLGANTES
Como se podrá observar a continuación, es muy difícil desligar el
análisis y diseño de puentes colgantes, de su construcción.
El peso propio del cable constituye una fracción de las cargas gravitacionales
que actúan sobre los puentes colgantes. Adicionalmente actúa el peso de los
restantes elementos estructurales, la carga permanente no estructural y las
cargas vivas.
La mejor manera de modelar el comportamiento del cable (que es el
componente más importante de la estructura) consiste en utilizar programas
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estándar de Análisis Matricial de Estructuras Espaciales como SAP2000. Se
dividen los cables en un alto número de segmentos y se analizan las
solicitaciones provocadas por los diferentes tipos de cargas.
Es importante notar que la carga permanente, adicional al peso propio delcable, es generalmente una carga uniformemente distribuida (o bastante
cercana a ello), por lo que la geometría esperada en el cable, luego de las
deformaciones del mismo será bastante cercana a una catenaria, conviniendo
asumir inicialmente que la geometría del cable corresponde a una catenaria.
La primera sorpresa con la que nos encontramos cuando se analiza un cable
bajo su propio peso, por el Método Matricial, es que las deformaciones son muy
importantes (en un cable de 300m de longitud y 60m de flecha es frecuente
obtener deflexiones del orden de los 3m en el centro de la luz).
Si un cable cambia su flecha de 60m a 63m, la primera consecuencia lógica esque los esfuerzos en el cable serán diferentes (serán menores), por lo que
podría convenir analizar la estructura con Teoría de Segundo Orden, o con
varias Aproximaciones de Primer Orden hacia la geometría final del cable.
Lamentablemente este es el menor de los problemas en los cables
estructurales de puentes colgantes. Junto con el cable descenderá toda la
estructura los mismos 3m, en el centro de la luz, lo que provocaría efectos
indeseables.
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Si durante la colocación del cable se lo tensa desde la zona de anclaje para
que la flecha quede en 60m (y no en 63m en el presente ejemplo), el problema
quedaría solucionado para esta fase. Es evidente que este proceso
constructivo determinará la manera de realizar el análisis y el diseño del cable y
de toda la estructura. Si se compensa la deflexión, basta realizar el análisis conTeoría de Primer Orden.
Cuando se colocan los tensores, las vigas transversales, las vigas
longitudinales, las diagonales y contradiagonales, la estructura de soporte
vehicular, y toda la carga permanente, se producen sucesivamente nuevas
deflexiones tanto o más importantes que las provocadas por el cable.
Nuevamente tendríamos deformaciones indeseables que podrían ser
compensadas total o parcialmente mediante nuevos tensados de los cables
desde la zona de anclaje. Para poder llevar a cabo este proceso será necesario
que los cables no tengan un anclaje definitivo, sino provisional, durante las
fases iniciales de la construcción.
Además deberá calcularse el efecto del tensado adicional del cable sobre la
posición final de los restantes componentes estructurales, y las solicitaciones
que podrían generarse sobre esos componentes.
Dependiendo de las fases de la construcción en que se realicen los ajustes de
las flechas, el análisis estructural para ciertas cargas, y ciertos elementos,
podrá ser realizado con Teoría de Primer Orden en lugar de Teoría de Segundo
Orden.
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Al igual que los cables principales, los tensores también pueden estar sujetos a
pequeños ajustes de longitud, para controlar adecuadamente las deflexiones.
Estos esquemas de construcción también tendrán su efecto sobre la manera de
analizar la estructura.
Generalmente lo que se realiza en construcción es un tensado del cable
durante su colocación, de modo que se produzcan contraflechas iniciales que
compensen las flechas que se generarán posteriormente debido a las cargas
permanentes. Este hecho facilita considerablemente el proceso constructivo.
Adicionalmente a esto se introduce geométricamente, durante el diseño, una
mayor elevación de la zona central de los puentes colgantes (estructura de
soporte vehicular), con el objeto de que durante las fases de máxima carga
viva, las deflexiones naturales en este tipo de estructuras pasen desapercibidas
para los usuarios.
En todo caso, el efecto de las cargas vivas sobre la estructura deberá ser
analizado con Teoría de Segundo Orden, pues para esas instancias el anclaje
definitivo ya deberá haber sido realizado.
Es evidente que las actividades de ajuste realizadas durante la construcción
tienen influencia decisiva sobre el Análisis y Diseño Estructural. Así mismo, las
hipótesis de análisis y diseño deben transformarse en actividades clave durante
la construcción.
En definitiva, deberán manejarse diferentes modelos estructurales que tomen
en consideración el comportamiento de cada elemento estructural durante la
fase de construcción. Esos modelos ocasionalmente podrán ser planos pero
conforme avance el proceso constructivo se convertirán en modelos
tridimensionales.
Otro aspecto primordial dentro del análisis y diseño de puentes colgantes
constituye la necesidad de tomar en consideración los efectos dinámicos
causados por sismos y vientos. Los puentes colgantes son particularmentesensibles a las oscilaciones, por lo que normalmente se requieren
redistribuciones de masas y ajustes de rigideces laterales para disminuir los
efectos dinámicos a magnitudes manejables.
Desde el punto de vista constructivo, el manejo de los grandes pesos que
tienen los cables principales constituye un serio limitante. Otro problema serio
constituye la infraestructura necesaria para poder realizar el tensado progresivo
de los cables hasta realizar su anclaje definitivo.
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Los detalles constructivos constituyen otro problema en nuestro medio. Durante
el diseño se deben tomar muchas de las decisiones sobre la construcción. ¿Se
utilizarán elementos prefabricados? ¿Se colocarán varios cables en cada uno
de los extremos de las torres de sustentación?
3.5.- MODELO EN SAP 2000
El modelo simplificado de cálculo sería:
Debido a que en SAP existe una plantilla de puente colgante, desestimaremos el uso
de idealizaciones para analizar las leyes de esfuerzos.
Características:
Vano izquierdo = 20 m
Vano central = 80 m
Vano derecho = 20 m
5 cables vano derecho
5 cables vano izquierdo
22 cables vano central
Altura pila hasta tablero = 5 m
Altura pila total = 15 m
- Modelo introducido
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El modelo calculado en SAP es en 3 dimensiones. A pesar de ello, se estudiará
la sección longitudinal.
- Ley de esfuerzos axiles
En el vano central, la ley de esfuerzos axiles de tracción aumenta en el cable
conforme se aproxima al pilón, donde se da el máximo. Esto es debido a que conforme
se acerca al pilón el cable debe resistir más peso del tablero con su correspondiente
sobrecarga repartida. Los pilones estarán sometidos principalmente a compresión, que
será el esfuerzo principal para el cual serán dimensionados los cimientos de los
pilones. Por ultimo, los cables laterales también soportarán esfuerzos de tracción, los
cuales estarán anclados en la cima del pilón y en su extremo inferior en el bloque de
anclaje de hormigón, el cual deberá resistir al desplazamiento por rozamiento la
tracción mencionada.
- Deformada
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La máxima deformada se dará en el centro del vano principal, estando su
posición por debajo de la no deformada. En los vanos laterales el tablero tenderá a
levantarse un poco.
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4.- BIBLIOGRAFÍA
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Hernández Ibañez Santiago, Las formas del viento
Gregor P. Wollmann. Preliminary analysis of suspension bridges
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Manterola, Tomo I
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