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Trabajo de síntesis sobre tipología de puentes, para el estudio, no para el plagio.
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Para la investigación y la publicación de libros y artículos de ingeniería
República Bolivariana de Venezuela Ministerio para el Poder Popular de la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Bolivariana Núcleo Caracas Sede Chuao
Ing. Civil 9no Semestre Sección 01 PUENTES
INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS, Y EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE LOS PUENTES ATIRANTADOS.
Santos Rafael
19203459
Caracas, 30/05/2011
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INTRODUCCION
El diseño y construcción de los puentes atirantados, como cualquier proyecto de
ingeniería civil, se basa en principios físicos y matemáticos, aplicados a casos reales, para
solucionar problemas, en el caso de los puentes, salvar grandes, luces, y atravesar ríos,
lagos, cruzar montañas; pero mucho más allá de la puesta en práctica de algún
conocimiento, está el ensayo y error, de donde surgen nuevas ideas y propuestas técnicas,
así como la aparición y la evolución de nuevos criterios de diseño, así desde los históricos
puentes de arco del imperio romano, se ha ido evolucionando en la construcción de
puentes, conjuntamente con los conocimientos científicos del comportamiento de los
materiales, y el descubrimiento de nuevos procesos para la obtención de aceros, así
surgieron los de viga, los puentes de pórtico, puentes colgantes, y más tarde se empezaron
a dar a conocer los puentes atirantados, muy novedosos, económicos, y prácticos, dados
más bien como una evolución de los puentes colgantes, pues fueron gran alternativa en el
ahorro de acero.
Presentamos aquí una breve investigación meramente teórica, sobre los puentes
atirantados, sus características, y comportamiento, con algunos ejemplos que se
consideraron importantes, por lo novedoso de sus diseños, desde el punto de vista
ingenieril, también se presentan una lista de los puentes atirantados más largos del mundo;
no obstante en esta investigación, no nos extendemos hacia la parte matemática de la
modelación de puentes.
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PUENTES ATIRANTADOS
Los puentes atirantados son básicamente un desarrollo estructural para salvar
grandes luces de manera práctica, ingeniosa, y económica, estructuralmente un puente
atirantado es aquel cuyo tablero está suspendido de uno o varios pilones centrales
mediante cables o tirantes. Se distingue de los puentes colgantes porque en éstos los cables
principales se disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables secundarios
verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente a tracción, y los
atirantados tienen partes que trabajan a tracción y otras a compresión. Los puentes
atirantados comenzaron su desarrollo a mitad del siglo XX y desde entonces han
evolucionado rápidamente, debido a que los conocimientos teóricos estaban ya muy
desarrollados, pero sus antecedentes vienen de más atrás, ya en el siglo XIX se habían
construido algunos puentes atirantados.
Uno de los motivos que han retrasado el desarrollo de los puentes atirantados, es su
dificultad de cálculo así como de construcción. Las técnicas constructivas son bastantes
similares a las de concreto pretensado, en lo que respecta a transmitir cargas a los tirantes,
por ello el desarrollo de los puentes atirantados ha sido algo posterior a el desarrollo de las
teorías sobre el concreto pretensado. Pues básicamente existía la dificultad de entender el
comportamiento de las cargas a través del tablero y de los tirantes que se veían
modificados, con la transmisión de cargas a cada tirante.
La técnica de los tirantes metálicos se dio solapada con el uso de los puentes
colgantes, en principio se usaron puentes con tirantes cercanos al tablero, mientras el
centro del vano se sostenía por cables principales, de esto surgieron dificultades de cálculo
al tener dos acciones superpuestas. Pero los principales puentes exclusivamente atirantados
fueron alemanes; en los cuales se dispusieron pocos tirantes muy separados por ejemplo el
puente de Nordbrucke en Dusseldorf 260metros año 1958
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HISTORIA
Los puentes atirantados pueden datar desde 1595, de los que se han encontrado
diseño en un libro encontrado llamado Machinae Novae escrito por Fausto Veranzio.
Muchos puentes colgantes primitivos fueron en un principio híbridos de puentes colgantes y
atirantados, incluyendo el puente peatonal Dryburgh Bridge construido en 1817. James
Dredge patentaría el Puente Victoria en Bath (Reino Unido, 1836) y más tarde el Albert
Bridge en Londres en 1872. Los diseñadores de puentes descubrieron que la combinación de
ambas tecnologías permitía construir puentes más rígidos, un ejemplo de esto es el puente
de las cataratas del Niágara construido por John Augustus Roebling.
El ejemplo más antiguo y conocido de un verdadero puente atirantado es el puente de
acero de Bluff Dale, situado en Bluff Dale, (Texas, Estados Unidos.) construido en 1890 por
E.E. Ruyon. En pleno siglo XX los ejemplos más pioneros incluyen a A. Gisclard, con el
puente de Cassagnes (1899), en el que la componente horizontal de la fuerza de los cables
es compensada por un cable puntal horizontal, previniendo así la compresión significativa
del tablero. Eduardo Torroja, un ingeniero español diseño un puente atirantado para el
acueducto del Tempul en la provincia de Cádiz, España en 1926.
Alber Caquot construiría un nuevo puente atirantado con tablero de hormigón sobre el
canal de Donzère-Mondragon en Pierrelate convirtiéndose en el primer puente atirantado
moderno, pero aún con una gran influencia de los diseños previos. El puente de tablero
metálico Strösmund Bridge diseñado por Franz Dischinger también es citado como uno de
los primeros puentes atirantados modernos.
Otros pioneros claves en esta época son Fabrizio de Miranda, Riccardo Morandi y Fritz
Leonhardt. En este período se usaban muy pocos cables como en el caso del puente de
Theodor Heuss en Düsseldorf de 1958. Sin embargo el utilizar pocos cables aumentaba
enormemente el costo de construcción por lo que las modernas estructuras llevan muchos
más cables. El tiempo ha hecho que los puentes atirantados se hagan un lugar en el diseño
de puentes y desplacen a los puentes ménsula.
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COMPORTAMIENTO DE LOS PUENTES ATIRANTADOS.
Los puentes atirantados consisten de un tablero soportado por cables rectos e
inclinados fijados a mástiles. Se han tornado más comunes debido a su economía y
estabilidad para vanos grandes (200 a 1000 metros) pero principalmente por su apariencia
atractiva. Tienen tres partes principales: tablero, mástil, y tirantes. el tablero es soportado
elásticamente en varios puntos a lo largo de su extensión por cables inclinados, fijados al
mástil las cargas permanentes y móviles son transmitidas al mástil o torre; mediante los
tirantes con una estructura reticulada con tirantes traccionados los cuales transmiten las
fuerzas de carga de tablero a inclinación de los tirantes comprime el tablero del puente
rigidizándolo, y aportándole mayor resistencia, bajo el mismo principio del concreto
preesforzado, sabemos que el mástil y el tablero quedan comprimidos, por lo que aumenta
su capacidad de carga y su resistencia a esfuerzos de cargas cortantes y dinámicas, el mástil
o torre de un puente atirantado se construye con una esbeltez proporcional al alcance de
los tirantes y la luz a cubrir, el mástil es el que recibe y transmite las cargas como acciones
verticales al suelo de fundación, además de ser el responsable por la estabilidad general de
la estructura, pues leves distorsiones de su posición, generarían sobreesfuerzo en unos
tirantes, y relajamiento en otros, con posibles graves consecuencias, como pandeo o
rotación alrededor del eje longitudinal del puente. Este tipo de estructuras es altamente
hiperestático, bastante sensible a la secuencia constructiva, sin embargo debido a la
flexibilidad del tablero, este acepta una considerable gama de fuerzas de instalación de los
tirantes.
Es importante escoger una distribución inicial apropiada para estas fuerzas de
sobrecarga permanente, de tal manera que; la flexión en el tablero sea limitada. Como los
puentes son construidos por fases y con diferentes materiales; el mástil y el tablero de
concreto estarán sujetos a esfuerzos por retracción y fluencia, y el puente sufrirá estas
acciones consecuentemente no del todo negativas porque a la vez brindan rigidez y facilitan
la transmisión de fuerzas cortantes, y los tirantes de acero y estarán a tracción completando
el triangulo de fuerzas. Los efectos de las acciones sobre los componentes alteran las
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deformaciones, y los esfuerzos en los puentes, por lo que estas reacciones internas se
aproximarían a valores muy inesperados, si no se hace un plan para la construcción del
puente que permita una b
configuración final. La bibliografía refiere que es inevitable que se presenten desvíos
constructivos que alteren estos valores, por lo que se recomienda tableros construidos para
que toleren cierto margen de error
TIPOS DE PUENTES ATIRANTADOS
Puente atirantado de pilón lateral
En este tipo de puente, el pilón, no está situado en el mismo plano de la pista (longitudinal),
sino un poco a un lado, este diseño permite puentes con pistas algo
Puente atirantado asimétrico
Este tipo de puentes, usa un pilar a un extremo del puente al que llegan los cables. Estos
puentes no son muy diferentes respecto a los atirantados normales. La fuerza de los cables
puede ser compensada continuando estos hasta unos contrapesos en el suelo. Los cabl
pueden ser sustituidos por pilares de hormigón prensado trabajando a compresión.
Puente atirantado de pilón contrapeso
Es un puente similar al anterior, salvo que los cables no continúan hasta el contrapeso, sino
que están anclados al pilón, y el pilón
y su anclaje en el terreno. Uno de los pioneros de este diseño es Santiago Calatrava con el
Puente del Alamillo en Sevilla.
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síntesis sobre tipología de puentes, para el estudio, no para el plagio
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deformaciones, y los esfuerzos en los puentes, por lo que estas reacciones internas se
aproximarían a valores muy inesperados, si no se hace un plan para la construcción del
puente que permita una buena distribución de los esfuerzos durante la construcción y en la
configuración final. La bibliografía refiere que es inevitable que se presenten desvíos
constructivos que alteren estos valores, por lo que se recomienda tableros construidos para
margen de error.
TIPOS DE PUENTES ATIRANTADOS
Puente atirantado de pilón lateral
En este tipo de puente, el pilón, no está situado en el mismo plano de la pista (longitudinal),
sino un poco a un lado, este diseño permite puentes con pistas algo curvas.
Puente atirantado asimétrico
de puentes, usa un pilar a un extremo del puente al que llegan los cables. Estos
puentes no son muy diferentes respecto a los atirantados normales. La fuerza de los cables
puede ser compensada continuando estos hasta unos contrapesos en el suelo. Los cabl
pueden ser sustituidos por pilares de hormigón prensado trabajando a compresión.
Puente atirantado de pilón contrapeso
Es un puente similar al anterior, salvo que los cables no continúan hasta el contrapeso, sino
que están anclados al pilón, y el pilón sujeta la fuerza de los cables, debido a su propio peso
y su anclaje en el terreno. Uno de los pioneros de este diseño es Santiago Calatrava con el
Puente del Alamillo en Sevilla.
Puente atirantado
Diseño tipo arpa
Puente atirantado
Diseño tipo aba
de las imágenes
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deformaciones, y los esfuerzos en los puentes, por lo que estas reacciones internas se
aproximarían a valores muy inesperados, si no se hace un plan para la construcción del
uena distribución de los esfuerzos durante la construcción y en la
configuración final. La bibliografía refiere que es inevitable que se presenten desvíos
constructivos que alteren estos valores, por lo que se recomienda tableros construidos para
En este tipo de puente, el pilón, no está situado en el mismo plano de la pista (longitudinal),
curvas.
de puentes, usa un pilar a un extremo del puente al que llegan los cables. Estos
puentes no son muy diferentes respecto a los atirantados normales. La fuerza de los cables
puede ser compensada continuando estos hasta unos contrapesos en el suelo. Los cables,
pueden ser sustituidos por pilares de hormigón prensado trabajando a compresión.
Es un puente similar al anterior, salvo que los cables no continúan hasta el contrapeso, sino
sujeta la fuerza de los cables, debido a su propio peso
y su anclaje en el terreno. Uno de los pioneros de este diseño es Santiago Calatrava con el
Puente atirantado
Diseño tipo arpa
Puente atirantado
Diseño tipo abanico (fuente
imágenes wikipedia)
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CARACTERISTICAS GENERALES
Los puentes atirantados ocupan un punto medio entre los puentes de acero de contrapeso
y los colgantes. Un puente colgante, requiere más cables (y más acero), y uno de
contrapeso, más acero para su construcción. Aunque desde el punto de vista estructural
serían puentes que trabajan en modo contrapeso.
Este tipo de puentes se usa en vanos medianos y grandes con luces que van de los 300
metros al kilómetro, como en estrechos y bahías, aunque para vanos mayores de un
kilómetro, en la actualidad se usan puentes colgantes solamente. Si el diseñador lo
considera y las condiciones del fondo lo permiten se pueden construir puentes atirantados
de vanos sucesivos que salvan luces mayores del kilómetro como es el caso del Puente Rio-
Anterior o el Viaducto de Millau. Este tipo de puentes también se usa para pequeñas
pasarelas peatonales.
Dos de las características de estos puentes es el número de pilones, hay puentes con uno
solo, o con varios, lo más típico es estar construidos con un par de torres cerca de los
extremos.
Puente Rio-Antirio en Grecia es uno de los mayores puentes atirantados de Europa.
También se caracterizan por la forma de los pilones (forma de H, de Y invertida, de A, de A
cerrada por la parte inferior (diamante), una sola pila...), y si los tirantes están sujetos a
ambos lados de la pista, o si la sujetan desde el centro (dos planos de atirantamiento, o uno
solo respectivamente). También es característico en los puentes atirantados; la disposición
de los tirantes, ya que puede ser paralelos, o convergentes (radiales) respecto a la zona
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donde se sujetan en el pilón. También pueden tener un gran número de tirantes próximos, o
pocos y separados, como en los diseños más antiguos.
Algunos puentes tienen los pilares los mismos tirantes en el vano central del puente
que en los de los extremos, otros, tienen más cables en el vano del centro que en los vanos
extremos, también conocidos como vanos de compensación.
Algunos puentes atirantados, son puentes
mixtos, con unos vanos atirantados, y otros de
tipo puente viga, como es el caso del Puente de
Rande. Mide 1.558 m. de longitud total, aunque
en esta cifra se combinan los tramos de puente
sobre pilares y el puente atirantado
propiamente dicho, que mide 694.98 m. El vano
central mide 401 m. y los dos vanos laterales del
tramo atirantado miden 147 m. cada uno. Los dos pilares que sostienen el tramo atirantado
tienen forma de H y una altura total de 118.60 m.
Los puentes atirantados tal y como los conocemos hoy tienen muchos tirantes y
muy juntos, de forma que la viga del puente se comporte como si estuviera apoyada a lo
largo de toda su longitud sobre un material perfectamente elástico. Y transmita las
reduciendo las deflexiones y los momentos actuantes.
Así como también tenemos los puentes
atirantados de concreto se diseñan construyen
con tirantes de concreto armado, basando su
cálculo en los principios del concreto pre
esforzado Su origen está en Ricardo Morandi,
entre todos estos puentes el mejor ejemplo
Seria nuestro puente sobre El Lago de
Maracaibo, con siete vanos atirantados cinco de ellos de 235 metros.
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Una propuesta un poco mas ingeniosa combina en si un hibrido entre puentes
atirantados Y puentes de vigas, este es el puente Ganter, en suiza para el cual, los tirantes
formados por unidades normales de pretensado, se extienden a lo largo del tablero, y
posteriormente se alojan en un recubrimiento común de concreto formando un alerón
pretensado, que aporta
protección, rigidez,
estabilidad, con respecto a
este puente se observa que
las torres del mismo, son
mucho menores que las
optimas para un puente
atirantado, aseverando su
condición de hibrido.
Como otro ejemplo de puente
atirantado novedoso tenemos
El Ponte di Scavalcamento
dell’Autostrada A1 con una luz
de 221 metros es un puente
atirantado, con un arco que se
desarrolla siguiendo su eje
longitudinal. Dicho arco, cuya
altura máxima es de 46 metros,
se halla completamente fijado a la base mediante una conexión con el cajón central de la
calzada, que a su vez se encuentra suspendido por la parte inferior del arco mediante cables
dispuestos en forma radial. Por su parte, las costillas poseen un voladizo de 9,75 m desde el
cajón central de acero y mantienen una distancia de 3,5 metros entre ellas. El puente tiene
una doble simetría respecto a sus ejes longitudinal y transversal.
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El puente del Alamillo es un
puente atirantado de pilón contrapeso
que cruza el río Guadalquivir. Fue
diseñado por Santiago Calatrava y
terminado en 1992. El puente consta de
un único pilar que actúa de contrapeso
para los 200 m del puente gracias a
trece largos cables; está considerado
como el primer puente sustentado por
cables en el que la plataforma se equilibra con el peso de la torre inclinada hacia atrás. Esta
tiene una altura de 142 metros, y una inclinación de 48º realizada con secciones
hexagonales de planchas de acero revestidas de hormigón en masa, en el cual se alojan los
13 pares de cables que sostienen el tablero.
LOS PUENTES ATIRANTADOS MAS LARGOS DEL MUNDO
Puente Longitud Localización
Sutong Bridge 1088 metros
(en construcción)
Yangtze River, China
Stonecutters Bridge 1018 metros
(en construcción)
Hong Kong, China
Tatara 890 metros Fuzhou, China
Normandie 856 metros Le Havre, Francia
Qingzhou Minjiang 605 metros Fuzhou, China
Yangpu 602 metros Shanghai, china
Xupu 590 metros Shanghai, China
Miko-Chuo 590 metros Nagoya, Japon
Skarnsundet 530 metros Trondheim Fjord, Noruega
Tabla creada por el autor de esta investigación, en base a Datos tomados de internet.
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COMPARACION CON LOS PUENTES COLGANTES
Los puentes atirantados, sobre todo si tienen varias torres, pueden parecer muy
parecidos a los colgantes, pero no lo son. En la construcción, en un puente colgante se
disponen muchos cables de pequeño diámetro entre los pilares y los extremos donde se
anclan al suelo o un contrapeso, estos cables, son la estructura primaria de carga del
puente. Después, antes de montar la pista, se suspenden cables del cable principal, y más
tarde se monta esta, sosteniéndola de dichos cables, para ello, la pista se eleva en secciones
separadas y se instala. Las cargas de la pista se transmiten a los cables, y de este al cable
horizontal, y luego, a los pilares, los contrapesos de los extremos, reciben una gran fuerza
horizontal.
En los puentes atirantados, las cargas, se transmiten al pilar central a través de los cables,
pero al estar inclinados, también se transmiten por la propia sección, hasta el pilar, donde
se compensa con la fuerza recibida por el otro lado, no con un contrapeso en el extremo,
por ello, no requieren anclajes en los extremos.
CONSIDERACIONES TECNICAS SOBRE EL EFECTO DE LOS VIENTOS SEGÚN AASHTO CODE
AASHTO LRF 2004, presenta las siguientes especificaciones que corresponden a las
características de los puentes atirantados:
En el articulo 3.8.3 referente a la estabilidad aeroelastica, indica que todos los puentes y
componentes estructurales de los mismos cuya relación longitud de tramo / ancho o
Profundidad sea superior a 30,0 se consideraran sensibles al viento, y por lo general las
características de los puentes atirantados siempre superan esta relación por su
características estructurales. Por esto se recomienda realizar un estudio y diseño para los
componentes que estén afectados por los vientos, se requieren análisis complejos de
aeroelasticidad en base a información obtenida en ensayos de túnel de viento. Un ensayo
de túnel de viento adecuado involucra la simulación del ambiente eólico local del sitio de
emplazamiento del puente. Todo esto para tomar en cuenta la excitación provocada por el
viento y la lluvia; los efectos de los vórtices y las ráfagas sobre los cables, pues a pesar de
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haber sido demostrado su acción harmónica de estos efectos sobre los componentes de los
puentes, es de importancia trascendental, mantener las tensiones producidas por las
oscilaciones de los componentes expuestos, por debajo de la tensión de fatiga propia del
material para lograr periodo de vida infinita. Y especifica en el articulo 3.8.3.3 Control de
Respuestas Dinámicas; que los cables y tirantes se diseñaran para estar libres de esos daños
producidos por la mencionada fatiga provocada por las oscilaciones inducidas por efectos
del viento, en el análisis de estos efectos se mayorará en 1.2 la velocidad del viento, además
en el comentario de este articulo agrega que los cables de puentes atirantados se han
estabilizado exitosamente contra las respuestas dinámicas excesivas fijando
amortiguadores al puente a nivel del tablero, o arriostrando múltiples cables en forma
cruzada.
En cuanto a las especificaciones estructurales en su articulo 4.6.3.7 Puentes
Atirantados indica que: La distribución de la solicitaciones entre los componentes de un
puente atirantado se puede determinar mediante análisis estructurales espaciales o planos
si así lo
Justifica la consideración de la geometría de las torres, el número de planos de tirantes y la
rigidez torsional de la superestructura del tablero. En los puentes atirantados se deberán
investigar los efectos no lineales que pueden ser producidos por:
La variación de la flecha del cable en todos los estados limite.
La deformación de la superestructura del tablero, las torres en todos los estados límites.
La no linealidad de los materiales en los estados límites correspondientes a eventos
extremos.
Además de la investigación y el análisis de las cargas en el puente en el caso de la perdida de
algún tirante individual.
Otra de las especificaciones entre las cuales entran los puentes atirantados es la
referente a los sistemas constructivos; pues exige para los puentes construidos por
segmentos, la planificación y análisis estructural del sistema constructivo.
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CONCLUSIONES
Los puentes colgantes son un desarrollo estructural producto de la experiencia
ganada en la construcción de puentes, y el conocimiento científico sobre las propiedades
mecánicas y comportamientos físicos de los materiales, pues desde la ingeniería vino
avanzando en este campo desde los antiguos puentes de arco romanos, puentes de viga,
puentes de pórticos, puentes colgantes, hasta los puentes atirantados, cuya aparición se da
solapada con la construcción de puentes colgantes, demostrando que se podían salvar
mayores luces con un gasto menor de acero, reduciendo así costos y cargas por peso propio,
también tienen la ventaja de mayor capacidad de carga y rigidez que la de los puentes
colgantes.
Al referirnos a los puentes atirantados sabemos que su desarrollo se dio un tanto
posterior al desarrollo de las teorías de concreto preesforzado, pues en su comportamiento
estructural se desarrollan las grandes capacidades de carga a bajas deflexiones, gracias a la
compresión del tablero, lo que permite alcanzar longitudes considerables, además está en
compresión, la torre o mástil, que se encarga de recibir los esfuerzos verticales y
transmitirlos a el suelo de fundación, y completando el triangulo de fuerzas encontramos los
tirantes o cables de acero que se encuentran a tracción; y aunque para puentes atirantados
de varias torres se pudieran confundir con los puentes colgantes, estos últimos están
construidos por dos tipos de cables, dos cables principales longitudinales con
comportamiento de catenaria, que reciben las cargas verticales del tablero y las transmiten
a las torres; por otra parte un detalle a destacar: es el hecho de que en un puente
atirantado, un mástil no puede traccionar el tablero de un solo lado en la dirección
longitudinal, pues en ese caso la fuerza de la tensión es tan grande que el mástil se volcaría,
causando el colapso estructural del puente, solo debido a los esfuerzos horizontales, un
caso excepción serán los puentes atirantados a contrapeso donde solo una torre resiste los
esfuerzos del puente utilizando un contrapeso propio de la torre inclinada hacia el lado
opuesto de la luz a salvar por el puente.
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Al hacer una revisión de esta investigación de puentes atirantados; encontraremos
como desventajas, la dificultad de calculo que se dio para el desarrollo de esta técnica, que
en cierta forma esto ha quedado un tanto relegado, con los modernos programas
computarizados para el cálculo estructural, pues estos incorporan sendas herramientas para
el cálculo de cables, muy útiles estos en el diseño, por supuesto con el correspondiente nivel
de manejo, y el necesario conocimiento estructural de un especialista o grupo de
especialistas en el área de puentes, otro detalle en cuanto a las desventajas es el proceso
constructivo, debido al comportamiento interno de los componentes, leves errores en la
etapa de construcción conllevaran a esfuerzos muy por encima de los analizados
originalmente por el ingeniero estructural, y que significaran problemas estructurales en los
componentes. Por lo cual las normas piden presentar un análisis detallado del
comportamiento estructural del sistema de construcción.
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