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ANALISIS DE SENSIBILIDAD DEL METODO CONSTRUCTIVO EN PUENTES
COLGANTES MULTIVANO
Estudio de secuencia de montaje de dóvelas
CARLOS ALEXIS TORO RIVANO
Tésis para optar al título de Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor guía: Matías Andrés Valenzuela Saavedra
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE OBRAS CIVILES
Santiago - Chile
2016
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ANALISIS DE SENSIBILIDAD DEL METODO CONSTRUCTIVO EN PUENTES
COLGANTES MULTIVANO
Estudio de secuencia de montaje de dóvelas
CARLOS ALEXIS TORO RIVANO
Tésis para optar al título de Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor guía: Matías Andrés Valenzuela Saavedra
Profesor Comision: Jeffrey Walters
Profesor Examinador: Pascale Rouse
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE OBRAS CIVILES
Santiago - Chile
2015
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Esta memoria es dedicada con especial afecto.
A mi querido hermano por su preocupación en todo momento.
A mi compañera de años Romina
por su constante apoyo y comprensión.
A mi inspiración diaria, mi sobrino Máximo.
Y finalmente a mi madre Delia Rivano que sin ella
nada de esto era posible, gracias por estar conmigo siempre.
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RESUMENEn Chile encontramos poco conocimento de los puentes colgantes simples y
multivano, lo cual tiene que cambiar con el proyecto del puente Chacao. A raíz
de esto, se hace imprescindible conocer este tipo de estructuras.
Esta inexperiencia en puentes colgantes nos lleva a tener poca información
en sus métodos constructivos, debido a esto se quiere lograr un mayor
conocimiento de este tipo de obras civiles y así obtener mayores herramientas
para plantearnos en una mejor posición para el desarrollo de estas
estructuras, lo cual nos lleva a conseguir una mejor definición y optimización
de procesos tipo montaje de tableros a nivel estructural, esto nos entreg un
gran aporte a la definición de esta tipología.
Al desarrollar este problema e interiorizarse en su construcción como en su
comportamiento dinámico, se logra un conocimiento en los parámetros
constructivos y estructurales, asi se podrá definir una eficaz serie desecuencia del tablero y finalmente dar a conocer recomendaciones y
soluciónes adecuadas de uso en puentes colgantes multivano.
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ABSTRACT
In Chile we found little knowledge of simple and multivano suspension bridges,
but this will change over Chacao bridge project. The objective of this report is
to have a knowledge of the constructive method of suspension bridges and
studying assembly sequence of segments of a suspension bridge multivano
as the Chacao bridge.
It is important to comoexiste little experience in this type of bridge which leads
have little information on their construction methods, because of this we want
to achieve a better understanding of this type of civil works and get more tools
to ask ourselves in a better position to the development of these structures,
which will take us to get a better definition and optimization of assembly
processes such boards at the structural level, this will give a great contribution
to the definition of this type.
In developing this problem and internalize in their construction and their
dynamic behavior, increased knowledge in construction and structural
parameters it is achieved, so you can define an effective sequence number of
the board and also to publicize the recommendations and most appropriatesolutions multivano use suspension bridges.
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INDICE GENERAL
DEDICATORIA ............................................................................................... ii
FACULTAD DE INGENIERÍA ........................................................................ 1
FACULTAD DE INGENIERÍA ........................................................................ 2
INDICE DE TABLAS ................................................................................................. x
INDICE DE FIGURAS .............................................................................................. xi
CAPITULO I: INTRODUCCION ............................................................................... 1
1.1 Contexto, problematización y motivación .............................................. 1
1.2 Objetivos ................................................................................................... 6
1.2.1 Objetivo general ............................................................................. 6
1.2.2 Objetivos específicos: ................................................................... 6
1.3. Plan de trabajo .......................................................................................... 7
1.3.1. Metodología ................................................................................... 7
1.4 Estructuración de la memoria ................................................................ 8
CAPITULO II: ESTADO GENERAL DE LOS PUENTES COLGANTES Y SU
CONSTRUCCIÓN ............................................................................................ 9
2.1 Que es un puente colgante ...................................................................... 9
2.2 Elementos que componen un puente colgante .................................. 12
2.2.1 Fundaciones ................................................................................. 13
2.2.2 Torres o Pilas ............................................................................... 16
2.2.3 Macizo de anclaje ........................................................................ 22
2.2.4 Sillas .............................................................................................. 26 2.2.4 Cable principal ............................................................................. 28
2.2.5 Péndolas ....................................................................................... 33
2.2.6 Tablero .......................................................................................... 37
2.3 Esquema estatico de un puente colgante ........................................... 39
2.4 Método constructivo ................................................................................ 42
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Macizos de anclaje, diversos puentes colgantes ................... 26
Tabla 2: Principales tipos de cable ocupados en un puente colgante
.......................................................................................................................................... 30
Tabla 3: Tablero, diversos puentes colgantes ....................................... 39
Tabla 4: Esquema estatico en un puente colgante ............................... 40
Tabla 5: Mapa conceptual, Método constructivo ................................... 43
Tabla 6: Propiedades materiales ............................................................. 84
Tabla 7: Propiedades secciones .............................................................. 85
Tabla 8: Cracteristicas de los parámetros ............................................ 112
Tabla 9: Cracteristicas de los parámetros ............................................ 112
Tabla 10: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 135
Tabla 11: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 136
Tabla 12: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 136
Tabla 13: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 136 Tabla 14: Cracteristicas de los parámetro ............................................ 152
Tabla 15: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 152
Tabla 16: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 153
Tabla 17: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 153
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Puente Chacao ............................................................................ 4
Figura 2: Puente colgante Clifton en Brisol, Inglaterra ......................... 10
Figura 3: Elementos principales de un puente colgante ...................... 12
Figura 4: Cajón de fundacion anclaje, puente Akashi Kaikyo ............. 15
Figura 5: torres puente colgante .............................................................. 17
Figura 6: Torres de importantes puentes colgantes ............................. 18
Figura 7: Pila flexible .................................................................................. 19
Figura 8: Torre marco triangular .............................................................. 20
Figura 9: Torre invertida ............................................................................ 21
Figura 10: Torre piramidal ......................................................................... 21
Figura 11: Macizo de anclaje gravitacional ............................................ 23
Figura 12: Macizo puente Aizhai .............................................................. 24
Figura 13: Tunel de anclaje ...................................................................... 25
Figura 14: Sillas .......................................................................................... 26
Figura 15: Diseño transversal silla ........................................................... 27
Figura 16: Cable principal ......................................................................... 29
Figura 17: Detalle de un cable ................................................................. 29
Figura 18: Cable de 7-alambres ............................................................... 31
Figura 19: Cable espiral ............................................................................ 31
Figura 20: Cable cerrado ........................................................................... 32
Figura 21: Alambres de acero paralelo ................................................... 33
Figura 22: Pendolas ................................................................................... 34
Figura 23: Detalle pendola, puente Foth Road ...................................... 35
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Figura 24: Detalle, puente Hennepin ....................................................... 36
Figura 25: Ajuste posición de la silla ....................................................... 44
Figura 26: Cable guía ................................................................................ 46
Figura 27: Esquema para el cable vivo durante el paso del cable en
la silla, método AS ......................................................................................................... 48
Figura 28: Transportador de torones ....................................................... 49
Figura 29: Espaciadores verticales entre los torones den la silla de
la pila ............................................................................................................................... 50
Figura 30: Abrazadera puente Akashi Kaikyo ....................................... 51 Figura 31: Péndolas ................................................................................... 53
Figura 32:Montaje del tablero desde el vano principal hacia las pilas
.......................................................................................................................................... 55
Figura 33: Montaje en cantiléver .............................................................. 57
Figura 34: Fabricación de secciones del tablero ................................... 59
Figura 35: Uniones temporales ................................................................ 60
Figura 36: Esquema del método de montaje del trapecio ................... 61
Figura 37: Cable sometido a su propio peso ......................................... 63
Figura 38: Cable sujeto a cargas puntuales ........................................... 65
Figura 39: Cable sometido a tres fuerzas puntuales ............................ 66
Figura 41: Cambio geométrico en el cable principal ............................. 67
Figura 42: Cable que soporta cargas concentradas ............................. 68
Figura 43: Cable que soportan cargas distribuidas .............................. 68 Figura 44: Estructura simétrica simple .................................................... 70
Figura 45: Relación entre tensión y esfuerzo y la densidad de la
tensión angular .............................................................................................................. 72
Figura 46: Caracteristicas puente colgante un vano ............................ 82
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xiii
Figura 47: Unidades a trabajar en MIDAS CIVIL .................................. 83
Figura 48: Propiedades de los materiales .............................................. 85
Figura 49: Indicación del punto SAG ........................................................... 86
Figura 50: Wizard Midas Civil, dimensiones. ......................................... 88
Figura 51: Modelo puente colgante de un vano .................................... 89
Figura 52: ..................................................................................................... 89
Figura 53:Condiciones de apoyos ........................................................... 90
Figura 54: Beam and reléase, rotulas del sistema ................................ 91
Figura 55: Carga aplicada ......................................................................... 91
Figura 56: Análisis de suspensión bridge ............................................... 92
Figura 57: Tablas de esfuerzos ................................................................ 92
Figura 58: Secuencia constructiva ........................................................... 93
Figura 59: parámetros ............................................................................... 97
Figura 60: Caso 1 referencia .................................................................. 100
Figura 61: Desplazamientos de Torres ................................................. 101
Figura 62: Sag point 27 ........................................................................... 102
Figura 63: Sag point 27 ........................................................................... 103
Figura 64: Cable principal secciones correspondientes a los vanos
laterales, elementos 1 y 52 ....................................................................................... 103
Figura 65: Cable principal correspondientes a secciones cercana a
las torres, elementos 10 y 11 .................................................................................... 104
Figura 66: Cable principal correspondientes a secciones cercana alas torres, elementos 42 y 43 .................................................................................... 104
Figura 67: flexion de secciones del tablero .......................................... 105
Figura 68: Esfuerzos de pilas ................................................................. 105
Figura 69: Caso 2 ..................................................................................... 107
http://c/Users/carlos%20toro%20rivano/Desktop/15.03.docx%23_Toc446403480http://c/Users/carlos%20toro%20rivano/Desktop/15.03.docx%23_Toc446403480http://c/Users/carlos%20toro%20rivano/Desktop/15.03.docx%23_Toc446403480
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Figura 70: Torres o Pilas ......................................................................... 107
Figura 71: Sag point 27 ........................................................................... 108
Figura 72: Sag point 27 ........................................................................... 109
Figura 73: Elementos 1 y 52 ................................................................... 109
Figura 74: Elementos 10 y 11 ................................................................. 110
Figura 75: Elementos 42 y 43 ................................................................. 110
Figura 76: Secciones tablero .................................................................. 111
Figura 77: Pilas ......................................................................................... 111
Figura 78: Caso 1 referencia .................................................................. 116
Figura 79: Torres o Pilas ......................................................................... 116
Figura 80: Sag point ................................................................................. 117
Figura 81: Sag point ................................................................................. 118
Figura 82: Elemento 1 y 156 ................................................................... 118
Figura 83: Elemento 10 y 11 ................................................................... 119
Figura 84: Elemento 42 y 197 ................................................................ 120
Figura 85: Elemento 166 y 165 .............................................................. 120
Figura 86: Secciones tablero .................................................................. 121
Figura 87: Pilas ......................................................................................... 121
Figura 88: Caso 3 ..................................................................................... 123
Figura 89: Torres ...................................................................................... 123
Figura 90: Sag point ................................................................................. 124
Figura 91: Sag point ................................................................................. 124
Figura 92: Elemento 1 y 156 ................................................................... 125
Figura 93: Elemento 10 y 11 ................................................................... 125
Figura 94: Elemento 42 y 197 ................................................................ 126
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xv
Figura 95: Elemento 166 y 165 .............................................................. 126
Figura 96: Secciones tablero .................................................................. 127
Figura 97: Pilas ......................................................................................... 127
Figura 98: Caso 3 ..................................................................................... 129
Figura 99: Torres ...................................................................................... 129
Figura 100: Sag point ............................................................................... 130
Figura 101: Sag point ............................................................................... 131
Figura 102: Carga axial ........................................................................... 131
Figura 103: Elemento 10 y 11 ................................................................ 132
Figura 104: Elemento 42 y 197 .............................................................. 132
Figura 105: Elemento 166 y 165 ............................................................ 133
Figura 106: Secciones tablero ................................................................ 133
Figura 107: Pilas ....................................................................................... 134
Figura 148: Diagramas comportamiento del puente ........................... 137
Figura 108: Caso 4 ................................................................................... 159
Figura 109: Torres .................................................................................... 159
Figura 110: Sag point ............................................................................... 160
Figura 111: Sag point ............................................................................... 160
Figura 112: Elemento 1 y 156 ................................................................ 161
Figura 113: Elemento 10 y 11 ................................................................ 162
Figura 114: Elemento 42 y 197 .............................................................. 162
Figura 115: Elemento 166 y 165 ............................................................ 163
Figura 116: Secciones tablero ................................................................ 163
Figura 117: Pilas ....................................................................................... 164
Figura 118:Caso 5 .................................................................................... 165
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Figura 119: Torres .................................................................................... 166
Figura 120: Sag point ............................................................................... 167
Figura 121: Sag point ............................................................................... 167
Figura 122: Elemento 1 y 156 ................................................................ 168
Figura 123: Elemento 10 y 11 ................................................................ 169
Figura 124: Elemento 42 y 197 .............................................................. 169
Figura 125: Elemento 166 y 165 ............................................................ 170
Figura 126: Secciones tablero ................................................................ 170
Figura 127: Pilas ....................................................................................... 171
Figura 128: Caso 6 ................................................................................... 172
Figura 129: Torres .................................................................................... 173
Figura 130: Sag point ............................................................................... 173
Figura 131: Sag point ............................................................................... 174
Figura 132: Elemento 1 y 156 ................................................................ 175
Figura 133: Elemento 10 y 111 .............................................................. 175
Figura 134: Elemento 42 y 197 .............................................................. 176
Figura 135: Elemento 166 y 165 ............................................................ 176
Figura 136: Secciones tablero ................................................................ 177
Figura 137: Pilas ....................................................................................... 177
Figura 138: Caso 7 ................................................................................... 179
Figura 139: Torres .................................................................................... 179
Figura 140: Sag point ............................................................................... 180
Figura 141: Sag point ............................................................................... 180
Figura 142: Elemento 1 y 156 ................................................................ 181
Figura 143: Elemento 10 y 11 ................................................................ 181
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Figura 144: Elemento 42 y 197 .............................................................. 182
Figura 145: Elemento 166 y 165 ............................................................ 182
Figura 146: Seccion tablero .................................................................... 183
Figura 147: Pilas ....................................................................................... 183
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CAPITULO I: INTRODUCCION
1.1 Contexto, problematización y motivación
Se ha utilizado en la historia el término de puente para designar a aquellas
construcciones que sirven para conectar diferentes espacios a los que de otra
manera no se podría acceder. El origen de éstas impresionantes estructuras
se creó por la necesidad de sortear un tipo de elemento geográfico que
dificulta el tránsito libre, gracias a estas construcciones se puede conectar los
puntos mas extremos de ambos lados y así permitir continuar el traslado dediferentes medios de transporte.
El trabajo de diseño, planeamiento y construcción de puentes es de gran
importancia ya que la eficacia y la firmeza de un puente deben estar siempre
aseguradas. A través de los tiempos el diseño e ingeniería de los puentes ha
variado de gran manera, así como también el material con el que se construye
y su utilidad.
Los puentes se han convertido a lo largo de la historia no solo en un elemento
primordial para la sociedad, sino en un símbolo de capacidad tecnológica.
Podemos encontrar diferentes tipos de puentes, respecto a las distintas
características de la geografía, economía y utilidad, encontrando puentes
atirantados, en celosía y ménsula, y colgantes.
Esta memoria es dirigida a los puentes colgantes multivano, en el cual
estudiaremos su método constructivo y la secuencia del tablero compuesta
por dóvelas, con el fin de encontrar una secuencia óptima del montaje del
tablero.
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Los puentes colgantes maravillan a las personas gracias a su ingeniería
aplicada y su belleza estética, estos puentes en su definición simple, es un
tablero que se suspende por medio de péndolas de dos cables principales los
cuales están sujetos a pilas y a macizos de anclaje, encargadas de transferir
las cargas del tablero por los cables principales hacia las fundaciones.
Con el paso del tiempo la construcción de puentes colgantes mostró avances
importantes como por ejemplo en el siglo XX se concretaron proyectos cada
vez más grandes y con la utilización de más y mejor tecnología. En la
actualidad podemos nombrar algunos puentes colgantes de gran magnitud,como el puente de Humber en Inglaterra, con un vano central de 1.410 m,
Xihoumen en china, con un vano principal de 1650 m y principalmente Akashi
Kaikyo, que une Honshu con la isla Awaji, tiene hasta ahora el record del
mundo en longitud según la distancia entre pilares, vano central de 1991m
(Zegarra, 2007) y por último destacaremos al puente colgante multivano
Taizhou (dos tramos consecutivos principales de 1.080 metros cada uno),
construído en China.
Los métodos constructivos de los puentes colgantes son muy similares con lo
cual podemos notar resumidamente cinco étapas de construcción: la primera
construcción de fundaciones; la segunda etapa está la construcción de la pila;
etapa tres se construye los macizos de anclaje; etapa cuatro el cable principal
y las péndolas; etapa cinco y final se comienza a posicionar el tablero. Cuando
el peso de las secciones del tablero se va uniendo paso a paso al cable
principal, este presenta desplazamiento y cambio en su curvatura (Zegarra,
2007).
La construcción del tablero va a depender de diferentes factores, como la
geografía, diseño, y otros. Los diferentes montajes son los siguientes:
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Montaje del tablero desde el vano principal hacia las pilas
Montaje en cantiléver, acá el tablero se monta desde las pilas hacia los
extremos y hacia la mitad del vano principal
Método combinado, acá está presente el montaje de construcción en
cantiléver y el izaje directo.
En Chile encontramos esta tipología de puentes en una medida inferior, pero
esto va a cambiar con el proyecto del puente Chacao, ubicado en la región de
los lagos que tendrá una longitud de 2,7 km, siendo un gran avance para el
país. Este proyecto tiene como objetivo unir la isla de Chiloé con Chile
continental y así dar un mayor valor social a la isla al disminuir los tiempos de
viaje, lo cual favorece de gran manera a las personas de la zona.
La particularidad del puente Chacao es que tiene diferentes luz entre vanos,
punto bastante inusual en los puentes colgantes de grandes dimensiones, el
puente colgante del canal de Chacao es de una longitud de 2.635 km con una
luz principal de 1.180 m y una secundaria de 1.055 m, ésta diferencia esporque se quiere aprovechar que la pila central de tipo rígida esté situada en
una roca al fondo del canal, lo que nos dará mayor estabilidad a la estructura.
El tablero sera de viga cajón aerodinámico con un ancho de 21,6 m y un canto
de 2,8m.
Como se mencionó anteriormente el objetivo de esta memoria, es poder tener
un conocimiento en el método constructivo en el montaje de dóvelas de los
puentes colgantes multivano, tomando como referencia la secuencia de
montaje del tablero y propiedades del puente Chacao, figura 1.
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4
Figura 1: Puente Chacao
Referencia: (Urrutia, 2011)
Es apropiado comentar que hay poca experiencia nacional como internacional
en el diseño de puentes colgantes multivano, por este motivo aparecen
problemáticas al momento de su construcción y en cómo lograr su óptimo
proceso. Debido a esto se quiere lograr un mayor conocimiento de este tipo
de obras civiles y así obtener mayores herramientas para plantearnos en una
mejor posición para el desarrollo de estas estructuras, lo cual nos llevará a
conseguir una mejor definición y optimización de procesos tipo montaje de
tableros a nivel estructural, esto nos dará un gran aporte a la definición de
esta tipología.
Ya que existen muchos vacíos y desconocimiento en esta tipología de puente,
la idea principal es enfocarse particularmente en el método constructivo del
tablero de este puente y con esto mediante uso de un software específicopoder obtener datos que nos darán la posibilidad de analizar y encontrar el
orden del posicionamiento de este tablero de la mejor forma.
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5
En esta investigación se realiza en primer lugar modelos de puentes colgantes
simples mediante el software MidasCivil, se empieza con los puentes
colgantes de un vano con el propósito de identificar los parámetros mas
importantes en las etapas constructivas del montaje del tablero, luego se
realizan multiples modelos de puentes colgante multivano, con esto se puede
comparar e identificar si los parámetros serán los mismos que del puente de
un vano con la finalidad de saber si el comportamiento cambia al agragar uno
o varios vanos a la estructura simple. Una vez que los modelos estan listo, se
alterará el tablero en diferentes secuencias de montaje, gracias a estas
secuencias se podrá ir analizando los datos entregados por el software y asíobservar distintos esfuerzos y comportamientos en la estructura
(deformaciones del cable, tensión por esfuerzo de la pila , entre otros) al
momento de cambiar los parámetros correspondientes, para luego realizar un
análisis de sensibilidad, que nos permitirá crear diagramas de curvas
comparativas para cada elemento que se vea afectado y así buscar, y
recomendar el montaje más óptimo para puentes colgantes multivano de
grandes dimensiones.
Al desarrollar este problema e interiorizarse en su construcción como en su
comportamiento dinámico, se logrará un mayor conocimiento en los
parámetros constructivos y estructurales, asi se podrá definir una eficaz serie
de secuencia del tablero, lo que permitirá tomar decisiones a futuro con mayor
conocimiento, posibilitando escenarios más óptimos en capacidad estructural,
tecnológica aplicada y en su respectivo costo. Y así finalmente generar
recomendaciones y la solución más adecuada de uso en puentes colgantes
multivano.
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1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Analizar el comportamiento estructural del proceso constructivo de un puente
multivano tipo colgante, a partir de un estudio de sensibilidad de la secuencia
de posicionamiento de tableros.
1.2.2 Objetivos específicos:
Investigar una tipología de puente colgante, reconociendo la importancia
que le proporciona a la estructura su método constructivo y sucomportamiento estructural en el proceso evolutivo de construcción.
Realizar un análisis de sensibilidad sobre la secuencia constructiva de un
puente colgantes tradicional, con el fin de obtener una solución adecuada y
detectar los parámetros relevantes en el proceso constructivo.
Realizar un análisis de sensibilidad para la secuencia contructiva de un
puente colgante multivano simetrico, identificando los nuevos parámetros
relevantes de estudio.
Realizar un estudio comparativo en puentes colgantes multivano con
variación de las rigidez de elementos principales (pilas) a partir de un caso
practico.
Determinar conclusiones sobre los resultados obtenidos identificando las
variables que más influyen en el diseño constructivo, definiendo para el caso
de estudio la solución más adecuada y generando recomendaciones de uso
en puentes colgantes multivano.
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1.3. Plan de trabajo
El método de trabajo será definido a través de una metodología y una carta
Gantt como cronograma.
1.3.1. Metodología
Para desarrollar esta investigación se seguirá la siguiente metodología:
Se analizará la información de puentes colgantes respecto a su método
constructivo y su comportamiento, por medio del material entregado por el
profesor como también en la recopilación de material vía internet ybibliográfico.
Se establecerán horarios de trabajo semanales con el profesor guía, con el
fin de asegurar un buen entendimiento del tema a tratar y revisión
bibliográfica, además de una correcta ejecución del software requerido.
Se utilizará el software MidasCivil, para poder modelar y ver elcomportamiento del puente con respecto a los esfuerzos que intervienen en
este, se eligió este software ya que es un programa dedicado exclusivamente
a puentes, a diferencia de otros programas estructurales y debemos recalcar
que es muy bueno en procesos constructivos y en su no linealidad.
Una vez concretado el modelamiento del puente mediante el software se
desarrollará un análisis de sensibilidad de la secuencia constructiva de
tablero, obteniendo resultados para su análisis y comparación.
Se analizan los resultados obtenidos detectando las variables que permitan
concluir acerca de la mayor eficiencia en el diseño estructural.
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1.4 Estructuración de la memoria
Esta memoria consta de cinco capítulos, empezando por su capítulo 1, donde
encontraremos la motivación, objetivos y plan de trabajo de la memoria.
En el capítulo 2, se podrá identificar el estado del conocimiento de puentes
colgantes, el estudio detalladamente del método constructivo y su análisis.
Con esta información podremos identificar de mejor manera los parámetros a
intervenir en el puente y así lograr la secuencia buscada.
En el capítulo 3, específicamente se modelan los puentes colgantes simples
y multivano, mediante el estudio del programa MidasCivil.
En el capítulo 4, se interviene los diferentes puentes colgantes incluyendo el
modelo con características similares al puente Chacao, quitar y poner en
diferentes posiciones el tablero, así identificar esfuerzos y diferentes
comportamientos de los puentes colgantes, para luego realizar análisis
sensitivo de los diferentes parámetros, mediante comparativas con lo cual se
encontrara la forma óptima de posicionamiento del tablero.
En el capítulo 5, recomendaciones y conclusiones finales.
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CAPITULO II: ESTADO GENERAL DE LOS PUENTES COLGANTES Y SU
CONSTRUCCIÓN
2.1 Que es un puente colgante
En América del Sur hay evidencias de puentes colgantes Incas en ellos los
cables de los puentes típicamente se construían con lianas y se usaban para
poder viajar por el terreno escarpado de la selva. La evolución de los puentes
colgantes fue el resultado de la introducción de materiales nuevos, como en
el caso de las cadenas de hierro que reemplazaron las sogas siendo este unmaterial más fuerte pero más pesado (Narvaez, 2008).
Los primeros puentes con cables de acero que se conocen, se construyeron
en Asia hace 2000 años en los límites de China y el Tíbet, donde los cables
de acero, reemplazaron a las cuerdas trenzadas de fibras naturales, eran
colgados en forma libre de un lado del puente hasta el otro y rellenados con
tablas para crear el tablero. Así, las personas que vivían en las montañas del
Tíbet sorteaban las quebradas. Este sistema de puente tenía la desventaja de
que el tablero seguía la curva libre de los cables y era totalmente flexible.
A mediados del siglo XVIII, aparecen los puentes colgantes con
características similares a los que se ven en la actualidad, donde los cables
principales eran cadenas con pasadores, teniendo luces de 20 a 30 metros.
El primero de esta tipología, se remontaría a uno construído en 1824 en
Tournon, Francia.
Los cables de acero y torres de cemento lograron que los puentes colgantes
fueran una opción más viable para unir distancias más largas y soportar pisos
más pesados en los que se puede transportar vehículos de carga. Cabe
enfatizar que el puente más antiguo que sigue en servicio, se terminó de
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construir en 1864, este es el puente Clifton, ubicado en Inglaterra, con 213 m
de luz. Este puente emplea tres cadenas de hierro forjado como sistema de
cables principales (ver figura 2).
Este puente es una obra maestra de la ingeniería, diseñado por Isambard
Kingdom Brunel cuando tenía 23 años, su diseño fue tan perfecto, que ha
permanecido sin cambios estructurales hasta la actualidad.
Figura 2: Puente colgante Clifton en Brisol, Inglaterra
Referencia: Mariano Sanz
Un puente colgante es un puente cuyo tablero, en vez de estar apoyado sobre
pilas o arcos se sujeta mediante cables o piezas atirantadas desde una
estructura a las que van sujetas.
Una de sus variantes más conocidas es el que tiene una catenaria formada
por numerosos cables de acero, de la que se suspende el tablero del puente
mediante tirantes verticales. La catenaria cuelga de dos torres (pilas) de
suficiente altura, encargadas de llevar las cargas al suelo.
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A continuación se muestran las ventajas y desventajas de un puente colgante
respecto a sus propiedades.
Ventajas:
La cantidad de material empleado en la construcción es mucho menor que
la necesaria para un puente apoyado debido a que para la misma carga los
materiales resisten mucho más a tracción que a compresión (a compresión
requieren mayor sección para evitar el pandeo) (Zegarra, 2007).
El vano central puede ser muy largo en relación a la cantidad de material
empleado, permitiendo comunicar cañones o vías de agua muy anchos.
Pueden tener la plataforma a gran altura permitiendo el paso de barcos muy
altos.
No se necesitan apoyos centrales durante su construcción, permitiendo
construir sobre profundos cañones o cursos de agua muy ocupados por eltráfico marítimo o de aguas muy turbulentas.
Siendo relativamente flexible, puede flexionar bajo vientos severos y
terremotos, donde un puente más rígido tendría que ser más fuerte y duro.
Desventajas:
Al faltar rigidez el puente se puede volver intransitable en condiciones de
fuertes vientos o turbulencias, y requeriría cerrarlo temporalmente al tráfico.
Esta falta de rigidez dificulta mucho el mantenimiento de vías ferroviarias
(Zegarra, 2007).
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Bajo grandes cargas de viento, las torres ejercen momento (fuerza en
sentido curvo) en el suelo, y requieren una gran cimentación cuando se trabaja
en suelos de menor resistencia, lo que resulta muy caro.
2.2 Elementos que componen un puente colgante
En este siguiente punto, se especifica detalladamente los elementos
principales que componen un puente colgante.
Figura 3: Elementos principales de un puente colgante
Referencia: (Vallejo, 2014)
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2.2.1 Fundaciones
Este elemento tiene como misión transmitir las cargas de la
estructura o elementos apoyados a este suelo y brindar a la misma un sistema
de apoyo estable distribuyéndolas de forma que no superen su presión
admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que la resistencia del suelo
es generalmente menor que la de los pilares que soportará, el área de
contacto entre el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande
que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes).
Las fundaciones son importantes ya que es el grupo de elementos que
soportan a la superestructura.
La fundación estará bien diseñada si cumple adecuadamente con
su doble función, estabilidad y resistencia, controlando dos estados límites a
saber, las condiciones de servicio y las condiciones de falla por resistencia. A
estas dos condiciones de falla se les llama estados límites porque ambas
determinan si una fundación sirve o no.
Las consideraciones que determinan el tipo de fundación a utilizar en un
proyecto son:
- Tipo de estructura.
- Cargas que se deben transmitir al suelo.
- Condiciones del subsuelo.
- Definir opciones de cimentación.
- Evaluar comportamiento y costo de las opciones.
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Las fundaciones se pueden clasificar en (Duan, 2000):
Fundaciones superficiales: Son aquellas que se apoyan en las capas
superficiales o poco profundas del suelo, en este tipo de cimentación, la carga
se reparte en un plano de apoyo horizontal. En estas fundaciones superficiales
de los puentes se debe considerar la capacidad de soporte y los
asentamientos admisibles que puedan tener. En general estas fundaciones
van a ser una zapata o losa de fundación de gran espesor.
- Zapatas
- Losas de fundación- Fundaciones ciclópeas
- Zapatas combinadas
Fundaciones profundas: Este tipo de fundaciones sirven para transferir cargas
a través de estratos blandos, repartir cargas por fricción lateral, tomar cargas
de tracción por fricción negativa, proporcionar anclaje y carga horizontal, evitar
socavación, proteger cimentación de excavaciones futuras, para fundaciones
en suelos expansivos, proteger estructuras marinas y para compactar el suelo.Las fundaciones profundas son aquellas fundaciones en el que su su extremo
inferior está situado a una profundidad superior a 8 veces su diámetro, estas
fundaciones transfieren cargas mayores que las de tipo superficial.
- Cajones circulares, figura 4.
- Cajones con sistema de aligeramiento
- Pilotes
Las condiciones geológicas y geotécnicas de la superficie y del subsuelo son
otro factor principal en la determinación del tipo de las fundaciones del puente.
Las condiciones del subsuelo, en especial las profundidades de la capa
portante del suelo o roca, son el factor más crucial. La sismicidad sobre la
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2.2.2 Torres o Pilas
Elemento vertical que soporta una serie de cables de carga, esta contribuyen
en la parte estética y en la funcionalidad de los puentes colgantes.
Su principal función estructural de las torres en un puente colgante, es llevar
el peso del puente, las cargas del tráfico y las fuerzas de la naturaleza a la
cimentación. Las torres deben realizar esta función de manera segura,
estética y económica ya que de ellas depende la duración del puente, debidoa que no pueden ser reemplazadas.
En la mayoría de los puentes colgantes de tramos largos, las torres, por lo
general, no están diseñados para resistir el momento de flexión longitudinal
debido al peso estructural de las vigas de rigidez. Este tipo de torres son
flexibles en dirección longitudinal. Para puentes colgantes de tramos cortos o
múltiples tramos, los pilones pueden estar diseñados de forma rígida para
resistir la curvatura longitudinal debido a cargas dinámicas o estáticas (Wang,
2014).
Entre sus características, se encuentra que deben ser rígidas y actuar como
soporte neutro entre las fuerzas de los cables (en dirección de la gravedad),
también deben ser bastante flexibles para permitir cambios en la longitud
ocasionadas por las cargas vivas y temperatura.
Las torres de sustentación pueden tener una gran diversidad de geometrías y
materiales de construcción, generalmente son construidas 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,
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pero generalmente presentan como característica típica una rigidez
importante en la dirección transversal del puente y muy poca rigidez en la
dirección longitudinal permitiendo los desplazamientos longitudinales del
sistema de cableado. Este se constituirá en un factor importante para la
estructuración de todo el puente colgante.
Figura 5: torres puente colgante
Las torres han sido siempre los elementos más difíciles de proyectar de los
puentes colgantes, porque son los que permiten mayor libertad. Por eso en
ellas se han dado toda clase de variantes.
Las torres no plantean problemas especiales de construcción, salvo la
dificultad que supone elevar piezas o materiales a grandes alturas, las torres
de los puentes metálicos se montan generalmente mediante grúas trepadoras
ancladas a ellas, que se van elevando a la vez que van subiendo las torres.
Las de los puentes de hormigón se construyen mediante grúas o estructuras
tipo plataforma. Podemos destacar que Apoyados y anclados en la parte alta
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de las torres de sustentación, y ubicados de una manera simétrica con
relación al eje de la vía, se suspenden los cables principales de la estructura
(generalmente un cable a cada lado de la torre). A continuación en la figura 6
se muestran diferentes torres o pilas para diferentes puentes colgantes,
notando las diferentes alturas y formas para cada uno.
Figura 6: Torres de importantes puentes colgantes
Referencia: (Narvaez, 2008)
a) Golden Gate c) San Francisco e)WaltWhitman
b) Mackinac d) Tacoma Narrows
Los pilones pueden estar diseñados para ser rígidos o flexibles de manera de
resistir fuerzas horizontales de los cables encima de los pilones. La mayoría
de las pilas de puentes colgantes de tramo largo son flexibles, figura 7. Este
tipo de pilas está mayormente bajo compresión debido a cargas estáticas yleve deflexión debido a cargas dinámicas. Tanto el acero como el concreto se
utilizan en las pilas.
Las pilas de concreto pueden tener mayores ventajas que los de acero en
términos del costo de construcción y mantenimiento. Algunos ejemplos de
pilones de acero incluyen el Golden Gate Bridge y el Akashi Kaikyo Bridge,
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mientras que la mayoría de los puentes colgantes, como el Xihoumen Bridge
y el Jiangyin Bridge construidos en la República Popular de China, tienen
pilones de concreto (Wang, 2014).
Figura 7: Pila flexible
Referencia: (Narvaez, 2008)
La altura de las torres de un puente colgante sobre el tablero, depende de la
luz y el radio de la catenaria, a este valor preliminar se debe agregar la
profundidad estructural del tablero y la holgura a las fundaciones para obtener
la altura total aproximada de la torre.
Hay dos requisitos importantes que debe cumplir la torre, el primero es
respecto a su flexibilidad la que tiene que ser adecuada para los
desplazamientos longitudinales en la etapa final y el segundo es que debe
ser estable durante su construcción. Estos dos requisitos son más difíciles de
cumplir para aquellos puentes que tienen diferentes razones de tramos
(asimétricos).
Todas las pilas tienen refuerzos transversales que le dan la máxima rigidez
lateral según las condiciones sísmicas y de viento del lugar, haciéndoles
trabajar como celosía en cantiléver. Existen dos tipos de refuerzos
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transversales: los refuerzos diagonales o cruces de San Andrés y las vigas
horizontales.
Las torres rígidas, son usadas cuando los puentes de varios vanos requieren
una considerable rigidez en la dirección longitudinal ya que son solicitadas
mediante fuerzas en dirección longitudinal desde el sistema de cables y por
ser una estructura de cuatro apoyos.
Existen tres tipos de pilas rígidas:
Marco Triangular (figura 8): formada por cuatro columnas rectas, inclinadas,acopladas por una viga de arriostramiento. Además, a las cuatro columnas las
unen vigas transversales que están situadas abajo del tablero, con estas vigas
se logra un soporte lateral y torsional al tablero para estabilizarlo (Vallejo,
2014).
Figura 8: Torre marco triangular
Referencia: (Vallejo, 2014)
Invertida (figura9): La pila invertida solo se ha usado en un puente colgante
de grandes luces, como es el puente golgante multivano Taizhou en China.
Esta pila esta ubicada al centro y es un soporte para las dos luces del Taizhou
(Vallejo, 2014).
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Figura 9: Torre invertida
Referencia: (Vallejo, 2014)
- Estructura Piramidal (figura 10): Este elemento no se ha utilizado en los
puentes colgantes pero si en los puentes atirantados como en el puente Rio-
Antirio en Grecia siendo unos de los mayores puentes atirantados de europa.
Figura 10: Torre piramidal
Referencia: (Vallejo, 2014)
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Figura 11: Macizo de anclaje gravitacional
Referencia: (Narvaez, 2008)
Estos macizos de anclaje funcionan como un contrapeso de todas las cargas
recibidas por el sistema de cables desde el tablero. Para este contrapeso, el
macizo necesita de una gran peso, ya que es la única manera que este
elemento puede lograr un funcionamiento óptimo y resistir de gran manera,
por esto tiene tan grandes dimensiones para contrarrestar la componente
vertical de la tensión de los cables principales y dar una presión suficiente en
el nivel de la fundación, asegurando la transmisión de la componente
horizontal de la fuerza de los cables.
Como ya sabemos la geometría del macizo ayuda a soportar las cargas y
evitar desplazamientos y no sólo hacerlo con el peso de éste, ya que enalgunos casos es más económico hacer un macizo más grande y con
cavidades, que uno más pequeño y sólido. Es por esto que en macizos, como
el del puente Aizhai (figura 12), tiene una forma triangular con un hueco al
medio (Gimsing-Georgakis, 2012).
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Figura 12: Macizo puente Aizhai
Referencia: (Vallejo, 2014)
Túnel de anclaje
Los túneles de anclaje como se muestra en la figura 13, se utilizan en estratos
de suelo más convenientes, como por ejemplo en roca. En este tipo de anclajese excava la roca o el suelo, la cual es rellenada de hormigón y se empotran
con barras de acero las zapatas en los cuales se anclan los torones del cable.
Las dimensiones de la excavación fundación va a depender del coeficiente de
roce que esté presente entre el hormigón, la roca y la geometría de la
fundación en la cual se requiere que exista un empuje pasivo sobre ella que
no permita deslizamientos.
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Figura 13: Tunel de anclaje
Referencia: (Narvaez, 2008)
A modo de ejemplo, los anclajes que soportan la tensión de los cables en el
puente Akashi Kaikyo, fueron hechos de un hormigón de alta fluidez,
desarrollando específicamente para el puente, dicho hormigón no requiere
trabajo de compactación, esto incremento en gran forma la eficacia al fundir y
redujo el tiempo de construcción. Las bases de los anclajes en cada una de
las costas tienen distinta estructura geométrica siendo una de ellas circular y
la otra rectangular. Sus dimensiones son gigantescas, por ejemplo el anclaje
circular tiene diámetro de 85 metros y una profundidad de 63,5 metros siendo
la base de anclaje más grande del mundo.
A continuación en la tabla 1, se muestran diferentes macizos de anclaje para
ciertos puentes colgantes de gran trascendecia incluyendo al puente Chacao,
notando que el macizo de anclaje gravitacional es usado con mas frecuencia
para puentes colgantes de grandes dimensiones.
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PUENTE MACIZO DE ANCLAJE
Akashi Kaikyo gravitacional hundidos
Golden Gate gravitacionales
Aizhai Túnel y macizo
gravitacional
Taizhou gravitacionales
Chacao gravitacionales
Tabla 1: Macizos de anclaje, diversos puentes colgantes
Referencia: Elaboración propia
2.2.4 Sillas
Se define como silla (figura 14), la superficie formada por una doble curvatura,
una cóncava y otra convexa, cuyos puntos se cruzan en sentido
perpendicular. La silla es el elemento que conecta al cable principal con la
pila, por la cima de la silla el cable principal pasa continuamente de un vano
al otro (figura 15), transmitiendo las cargas del sistema de cables a las pilas,para luego estas ser las encargadas de transmitir la carga a las fundaciones.
Figura 14: Sillas
Referencia: (Duan, 2000)
La silla está fabricada de acero fundido o de hormigón, este elemento es
soportado por una viga corta longitudinal de la cual surgen vigas radiales que
forman la curvatura, el tamaño de la silla puede determinarse por la presión
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lateral admisible sobre los cables, la cual es una función del radio de la
curvatura de la silla.
Durante la construcción del puente, las sillas pueden ser diseñadas de forma
deslizante o fijas, para permitir el ajuste de la curvatura y de las tensiones de
los cables principales. Si inicialmente es deslizante es con el fin de que en
este periodo de construcción se quiere evitar que las fuerzas horizontales de
la tensión de los cables sobre la silla sean transferidas a la pila, por lo cual se
consigue que esta no se deforme, luego esta silla es fijada a la pila con pernos
de alta resistencia.
Existe una alternativa de esta silla deslizante y este es el método pull out enla que inicialmente las sillas estan fijas, en este método se calcula el
desplazamiento que inducirá el cable en la pila, mediante un sistema de
cables anclados a la pila y se tire de ella para lograr una deflexión, tal que,
cuando el proceso de colocación del cable finalice se restituya la posición de
la pila.
Figura 15: Diseño transversal silla
Referencia: (Duan, 2000)
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2.2.4 Cable principal
Es un elemento de gran importancia para resistir las cargas externas en la
estructura de un puente colgante. El cable puede presentar diversas
configuraciones, pero todas ellas se basan en el empleo de alambres
delgados de alta resistencia agrupados para formar una sección circular. Así
mismo el principal elemento de un puente colgante esta suspendido de torres
y anclados en sus extremos. Los cables se fijan en los extremos del vano y
tienen la flecha necesaria para soportar mediante un mecanismo de tracción
pura las cargas que actúan sobre él. Este aparato debe ser bastante fuertepara soportar la vibración causada por los vehículos y ser resistentes al viento
como a su corrosión que afecta a este tipo de material, en el anexo B, se
encuntran los cuidados del cable para este problema.
La forma del cable coincidirá forzosamente con la línea generada por la
trayectoria de una de las posibles composiciones del sistema de fuerzas que
actúan sobre él. Es importante destacar que los cálculos para la curvatura del
cable generalmente se ha utilizado la parábola de segundo grado.
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Figura 16: Cable principal
Los cables de acero están compuestos por torones, cada uno de estos torones
están formados de alambres de acero de alta resistencia, los que se
encuentran en forma helicoidal alrededor de un alambre central del torón,
como se puede notar en la figura 17. Los alambres en el torón están colocados
en una forma geométrica definida y predeterminada.
Figura 17: Detalle de un cable
Referencia: (Narvaez, 2008)
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Los cables de acero de alta resistencia son los elementos básicos de soporte
del puente.
Los más usados son los que se indican en la siguiente tabla 2:
Tabla 2: Principales tipos de cable ocupados en un puente colgante
Referencia: (Duan, 2000)
A continuación se se nombran algunos cables y sus características (Villegas
2009):a) Cable de 7-Alambres (Torón)
Compuesto por 7 alambres de 5 mm de diámetro con una resistencia a la
tracción entre los 1770 y 1860 MPa, su módulo de elasticidad es sólo de un
6% a un 8% más bajo que los alambres solos, es decir, el modulo típico de
elasticidad es E=190 GPa.
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Figura 18: Cable de 7-alambres
Referencia: (Kashima, 2009)
b) Cables Helicoidales (Cable Espiral)
Estos son utilizados en cables principales como en péndolas. Los cables
helicoidales multi-alambres son fabricados por un sucesivo hilado de capas,
generalmente con giro del enrollado en sentido opuesto de la capa anterior,
partiendo de un alambre recto. El paso o giro del enrollado es pequeño en los
cables multi-alambre, por lo que la disminución de la rigidez es más
pronunciada que en el cable 7alambres.
El módulo de elasticidad nominal será un 15 – 25% más bajo que el valor de
alambres rectos. Un típico valor para este módulo es E = 170 GPa.
Figura 19: Cable espiral
Referencia: (Vallejo, 2014)
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c) Cable cerrado o Locked – coil Strand
Compuesto por dos tipos de alambres, en el núcleo son alambres redondos
regulares formando un cable helicoidal, mientras que en las capas exteriores
van alambres de forma de Z, que nos entrega facilidad en el enrollado para
dejar una superficie sellada y comprimida, los cuales en combinación con el
efecto auto-compactado del cable helicoidal, asegura una superficie cerrada.
Es mas compacto que los otros cables y tiene una resistencia a la tracción de
1370 – 1570 MPa, lo cual es menor a la de los otros tipos de cables y su
módulo de elasticidad es de E = 180GPa, por lo que recae la rigidez en un
12%.
Figura 20: Cable cerrado
Referencia: (Narvaez, 2008)
d) Cables de alambres paralelos
La disminución de la resistencia y rigidez asociada a la torsión de los cables
helicoidales promovió el desarrollo de cables con alambres paralelos
prefabricados.
En la práctica actual, los puentes colgantes se construyen con cables
principales compuestos por alambres de 5 mm a 5.5 mm. Estos alambres
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forman torones de 61, 91 y 127 alambres lo cual vendría siendo equivalente a
un cable menor o torón. Los cables se fabrican con alambres que forman un
patrón hexagonal.
Figura 21: Alambres de acero paralelo
Referencia: (Duan, 2000)
2.2.5 Péndolas
La péndola es el elemento que puede ser vertical o inclinado (mejorar el
comportamiento aerodinámico según Sevem, Humber), cuyo extremo
superior se encuentra unido al cable principal y en el extremo inferior al
tablero, cabe destacar que en los puentes colgantes modernos comúnmente
se utiliza cables helicoidales, es importante siempre tener en consideración
los cuidados sobre la corrosión como se especifica en el anexo B.
Las péndolas o tensores con inclinación aumentan la variación de esfuerzos
debidos a la sobrecarga por lo que ya no se ocupan en puentes mayores, se
ha estudiado que esto trae problemas de fatiga, lo cual acorta su vida útil, porlo que en general se disponen verticales trabajando como bielas, es decir, son
rotuladas en ambos extremos evitando transferir momento flector, sólo cargas
axiales (Zegarra, 2007).
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A modo de ejemplo, los tirantes del Puente Akashi son verticales. Este es el
caso de todos los puentes colgantes de largo tramo después de la culminación
del Puente Humber en 1981. Sólo 3 puentes colgantes de gran tamaño tienen
tirantes inclinados: Humber, Bósforo, y Severn.
Figura 22: Pendolas
Referencia: (Escuela politecnica superior de Avila, 1999)
Existen básicamente dos arreglos para conectar las péndolas, el primero es
tripificado por el detalle usado en el puente de Forth Road, como se puede
notar en la figura 23, en este arreglo, la banda de cables tiene estrías para
acomodar las vueltas del cordel estructural sobre el cable principal. Debido a
la flexión de la péndola sobre el cable principal, se usa cordel estructural para
este, con el fin de aprovechar su flexibilidad.
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Figura 23: Detalle pendola, puente Foth Road
Referencia: (Narvaez, 2008)
El segundo método para la conexión de las péndolas y que se usó en el puente
Hennepin, como se mustra en la figura 24, en este caso, las péndolas están
conectadas a la banda de cable mediante casquillos estándar con relleno de
zinc. Ya que no se requiere flexión de la péndola, este es generalmente un
torón estructural. Si se conectan en forma apropiada, los casquillos con relleno
de zinc fundido pueden desarrollar 100% de la resistencia de los torones y del
cordel de alambre.
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2.2.6 Tablero
Este elemento estructural es sujeto mayormente a fuerzas externas, ya que
las cargas de tráfico son aplicadas directamente sobre él y porque en la
mayoría de las veces las cargas muertas y el área de acción del viento es
mayor sobre el tablero que sobre el sistema de cables.
La función estructural del tablero es transportar las cargas muertas locales
entre los puntos de conexión de péndolas, ayudar al sistema de cables a llevar
las cargas globales y distribuir las fuerzas concentradas.
El tablero de un puente colgante debe ser bastante rígido y trabaja tanto a
flexión como a torsión, para prevenir la flexión ocasionada por los vehículos
mientras circulan por el puente y para evitar oscilación. Una de las
características del tablero es que debe ser tan ligero como sea posible,
teniendo en cuenta que debe conservar su rigidez y mantenerse estable ante
la presencia de vientos, ya que es el tablero quien soporta directamente las
cargas dinámicas y transmite las tensiones a pilas y estribos.
Los estudios sobre la estabilidad al viento de los grandes puentes colgantes
realizados a consecuencia del hundimiento del Tacoma, anexo… , llevaron a
dos concepciones distintas de los tableros:
- La primera consiste en seguir haciendo tableros con vigas trianguladas
pero dándoles la suficiente rigidez a flexión y torsión para que soporten los
efectos del viento. Esta solución fue adoptada por ingenieros americanos y
posteriormente la han continuado los japoneses.
- La segunda consiste en adoptar una sección en cajón cerrado de forma
aerodinámica, que reduce considerablemente los problemas de inestabilidad
y por ello el tablero requiere menos rigidez para ser estable. Con este sistema
las dimensiones y cantidad de acero del tablero son significativamente
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PUENTE Tablero
Akashi Kaikyo Continuo entre las dos pilas
Golden Gate Continuo entre las dos pilas
Aizhai Continuo entre las dos pilas
Puente Chacao (2006) Continuo entre la torre sur y el
estribo norte
Tabla 3: Tablero, diversos puentes colgantes
Referencia: Elaboración propia
2.3 Esquema estático de un puente colgante
A medida que se está construyendo los puentes colgantes y en toda su vida
útil, están presentes los esfuerzos que solicitan a la estructura, en un puente
colgante la fuerza de tracción se localiza en los cables principales, como en
las péndolas que soportan al tablero y transfiere este esfuerzo al cable
principal, el cable luego traspasa el esfuerzo a las pilas, las que trabajan a
compresión, normalmente estas pilas son de hormigón ya que este es un
material que resiste fuertemente a compresión, no así a esfuerzos de tracción.
También nombraremos a la fuerza gravitatoria ya que en un puente colgante
se deberá soportar el peso a través de los cables provocando una tensión y
deberá ser mayor del otro extremo, al del peso del puente en los anclajes. Por
último está presente la fuerza cortante en piezas como vigas, el plano de
referencia suele ser un paralelo a la sección transversal (Gimsing-Georgakis,
2012).En los puentes colgantes, 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 en las pendolas, y las cargas que sobre ellos
actúan, están soportados por los cables principales, los cables principales
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transmiten las cargas a las torres de suspensión; y por último las torres de
sustentación transfiere 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.
Tabla 4: Esquema estatico en un puente colgante
Referencia: (Duan, 2000)
La estructura resistente básica está formada por los cables principales, que
se fijan en los extremos del vano, y tienen la flecha necesaria para soportar
mediante un mecanismo de tracción pura, las cargas que actúan sobre él.
El puente colgante es una estructura que resiste gracias a su forma; en este
caso salva una determinada luz mediante un mecanismo resistente que
funciona exclusivamente a tracción, evitando por su flexibilidad que aparezcan
flexiones en él. El montaje del cable principal debe salvar el vano entre las
dos torres y para ello hay que tenderlo en el vacío. Esta fase es la más
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complicada de la construcción de los puentes colgantes. Inicialmente se
montan unos cables auxiliares, que son los primeros que deben salvar la luz
del puente y llegar de contrapeso a contrapeso. La mayoría de los grandes
puentes colgantes están situados sobre zonas navegables, y por ello permite
pasar los cables iniciales con un remolcador; pero esto no es siempre posible.
Como el sistema de cargas de los puentes es variable porque lo son las cargas
de tráfico, los puentes colgantes en su esquema elemental son muy
deformables. Este esquema elemental consiste en el cable principal, las
péndolas, y un tablero sin rigidez, o lo que es lo mismo, con articulaciones en
los puntos de unión con las péndolas.El esquema clásico de los puentes colgantes admite pocas variaciones; los
grandes se han hecho siempre con un cable principal en cada borde del
tablero.
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Tabla 5: Mapa conceptual, Método constructivo
Referencia: Elaboración propia
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2.4.1 SILLA
Construida toda la pila, en la parte superior de esta se monta la silla para luegoubicar sobre ella el cable continuo desde un vano al otro. La silla es la
encargada de recibir las cargas del cable principal y asi poder traspasarlas a
las pilas. La silla será prefabricada de acero la cual se elevara con grúa hasta
su lugar.
Mientras se posicionan segmentos de las vigas de rigidez, aparecen
momentos de flexión en la parte inferior de las pilas y de deflexión en la parte
superior de las pilas. La distribución de pesos de la viga en las pilas debe ser
liberada al ajustar la posición horizontal de sillas arriba de los pilas, esta es
una de la características importantes de la silla para el buen funcionamiento
del puente colgante (Wang, 2014).
Figura 25: Ajuste posición de la silla
Referencia: (Wang, 2014)
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La figura 25, muestra el ajuste de la posición de la silla para liberar las
deflexiones de los pilones al elevar las sillas. Este ajuste puede requerir varios
intentos durante la instalación de las vigas.
Ajuste de silla y liberación de la deflexión de pilón por el levantamiento de la
silla.
Jacking block: bloque de levantamiento
Initial offset saddle: ajuste inicial de la silla
Displaced and final position: posición desplazada y final
Central of pylon before displaced and after adjustment: central de pilón
antes de ser desplazado y luego del ajuste.
En el periodo de construcción del puente colgante estas sillas no siempre
estan fijas sino que algunas estarán sobre rodamientos y así poder permitir
los deslizamientos longitudinales del cable al hacerles los ajustes de
curvatura. Ya finalizada la construcción del cable, este se fija en su posición
final con pernos de alta resistencia. Las sillas más actuales vienen con placas
de recubrimiento longitudinal y transversal, esto es para la protección contrala corrosión.
2.4.2 Cable principal
El inicio en la construcción del cable principal, comienza por situar los cables
guías (usado para arrastrar un resistente cable de acero) para las pasarelas,el cual va de un macizo de anclaje a otro. Este cable guía puede ser instalado
mediante un bote por el agua, este iría de una orilla a otra desenrollando el
cable y elevándolo a la cima por una grúa y también se puede instalar llevando
el cable guía desde cada orilla hasta las pilas y otro cable desde una pila a la
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otra, elevándolos a la cima de estas mediante grúas y por ultimo cunado es
complicado geográficamente y por dificultades de detener el tráfico marítimo,
se instala el cable guía mediante un helicóptero, aca el cable tiene que tener
características especiales , como ser largo y resistente ya que en algunas
ocaciones hay que cubrir distancias largas.
Figura 26: Cable guía
Referencia: (Narvaez, 2008)
Luego se colocan, por medio de un transportador de cables, varios cables
helicoidales de acero para el suelo de la pasarela, estos serán los que
soportaran el peso del resto de la estructura de la pasarela y los trabajos que
se realicen en ella. Lo importante de las pasarelas es que será la zona de
trabajo para acceder a la sección del cable que se quiera llegar, ya sea en la
instalación de las abrazaderas, montaje, compactación y envoltura del cable
de suspensión.
Se continua a instalar el piso cathuel de malla, el cual se empieza a construir
desde la cima de las pilas, deslizándose hacia los macizos de anclaje y hacia
el centro del vano principal del puente, una vez puesto este piso de trabajo,
son colocados los cables de mano que trabajaran como barandas. Cada cierto
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tramo las cuerdas de mano y el piso están conectadas por marcos de acero
en forma de U para otorgar cierta rigidez al sistema.
El cable principal es un cable constituido por una gran cantidad de alambres
haciendo imposible prefabricarlo como un único elemento, y luego colocarlo
de una vez, debido al gran peso y longitud, también su sistema de anclaje y
el ajuste de su curvatura.
Existen dos métodos para su construcción (Gimsing-Georgakis, 2012)
Air-spinning método (AS): desarrollado primero por John A. Roebling en el
siglo XIX, este método el cable se va construyendo alambre por alambre,
existe una polea de hilado, que es una rueda de acero que lleva los alambresde un extremo del puente al otro. La polea se conecta a los cables por encima
de la pasarela y es conducida por estos a través de los vanos desde un anclaje
hasta el otro. Para el paso de la polea sobre las pilas y las sillas de anclaje se
instalan rodamientos sujetos a la estructuras temporales de construcción de
estas, en la planta de trabajo de los equipos del método AS, se ubica la
maquina tensora del cable guía y el motor que hace que la polea de hilado
vaya y vuelva desde un anclaje hasta otro.
Los alambres que van pasando por debajo de la polea de hilado están
conectados al anclaje, estos alambres estacionarios se llaman ¨ alambres
muertos ¨, mientras que los alambres vivos o hilo conductor, son los que van
desde la rueda de hilado hasta una polea en el macizo de anclaje que lo
conecta con la torre de contrapeso donde se le entrega la tensión al alambre.
La polea de hilado al pasar por las sillas, se apoyan en rodamientos sobre
ella, permitiendo que la polea tenga un camino continuo, estos alambres, al
pasar por la silla de la cima de las pilas y de las sillas de distribución son
revisados por inspectores para asegurar que hayan quedado en el paquete
de alambres que se está formando (Wang, 2014).
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Después de que cada cable está preparado, debe ser ajustado. Cuando todos
los cables de un trenzado estén dispuestos, se unirán en forma de trenza.
Aparentemente, el método AS es simple y necesita menos equipamiento en
el lugar. Sin embargo, construir el cable uno por uno consume tiempo y el
proceso depende de las condiciones climáticas.
Figura 27: Esquema para el cable vivo durante el paso del cable en la silla, método AS
Referencia: (Duan, 2000)
Como parte del método AS, existen dos métodos de construcción que varían
en el ajuste de la curvatura del cable (Gimsing, N, & Georgakis, K, 2012):
Método de alta tensión, acá los alambres se van poniendo con exceso de
tensión, con el objetivo de que queden con la curvatura final al momento de
montar el tablero y el método de baja tensión, es un método más reciente y
se realiza poniendo los alambres con un poco menos de tensión de la quesoportara cuando este terminando el cable. Esto se realiza para aliviar el
intenso trabajo de ajuste de la curvatura que se debe efectuar con el método
de alta tensión.
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Pre-fabricated strands (PS) o pre-fabricated parallel-wire strand method
(PPWS): Este método plantea la construcción del cable principal mediante
cables menores prefabricados llamados torones, que contienen más de cien
alambres paralelos de 5 mm, del largo de todo el cable principal desde un
macizo de anclaje hasta el otro.
Trasladados al sitio de obra, los torones se conectan a las maquinas
desenrolladoras al costado de un macizo de anclaje, para que sean puestos
uno por uno, tirando de el por un cordel de tracción (Wang, 2014).
El transportador de torones como se muestra en la figura 28, esta fijo al cable
guía, en este método el cable guía es tensado por una maquina tensora ypropulsado por un motor para que el transportador de los torones vaya y
vuelva de un anclaje a otro.
Figura 28: Transportador de torones
Referencia: (Vallejo, 2014)
El primer torón que se instala es de prueba, el cual se le ajusta la curvatura
de diseño para que los siguientes se vayan de la misma forma, por esto el
ajuste del primer torón es de mucho cuidado.
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En comparación al método AS, el PPWS ahorra tiempo significativamente.
También se elimina el ajuste individual de cables. Dado que el trenzado fue
previamente formado en la fábrica, se puede controlar bien la calidad y rebajar
los costos
Para la ubicación de buena manera de los alambres y torones debemos poner
espaciadores verticales, los cuales son de forma temporal en los vanos, pero
en las sillas se dejan ya que previene la interferencia entre los torones en esta
zona, la cual se caracteriza pos grandes presiones laterales.
Otras características de estos espaciadores es que le entregan fricción a loscables, para que no se produzcan desplazamientos del cable al montaje del
tablero y a las cargas vivas.
Figura 29: Espaciadores verticales entre los torones den la silla de la pila
Referencia: (Wang, 2014)
A) Compactación del cable principal
Una vez ya construido el cable principal, independiente de su método, el cable
se necesita compactar. Esta compactacion se hace por medio de una gata
hidráulica que aprieta los torones, aca podemos notar que el cable pasa de
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ser un hexágono a un circulo. El grado de compactación depende de la
cantidad de vacíos en el cable, siendo el mínimo un 9.3%. El cable principal
queda compactado temporalmente mediante el apriete de una correa de acero
que se pone, generalmente, cada 0,75 metros.
Una vez terminada la compactación, se instalan las abrazaderas, estas se
elevan a la cima de la pila con las grúas trepadoras. Una vez en la cima, se
llevan a su posición a través de una grúa transportadora instalada en los
cables guías que pasan por los marcos. Estas abrazaderas se aprietan con
pernos de acero de alta resistencia, como el cable cambia de pendiente estasabrazaderas cambian su diseño, adecuándose a la sección del cable que se
encuentra, por lo que las abrazaderas cerca de las pilas tienen más pernos
para aumentar la fricción y el apriete al cable. Una vez puestas las
abrazaderas, el cable principal es envuelto por un alambre galvanizado de
sección circular, la función de este envoltorio es mantener la compactación
del cable y protegerlo de la corrosión, haciéndolo compacto y casi
impermeable.
Figura 30: Abrazadera puente Akashi Kaikyo
Referencia: (Kashima, 2009)
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Para terminar, la forma del cable de un puente colgante se aproxima más a
la de un cable cargado uniformemente sobre su proyección horizontal, es
decir, cargado sobre el tablero del puente; la curva que define un hilo flexible
cargado de esta manera es una parábola.
La curva del cable de un puente colgante es una combinación de la catenaria
(la catenaria es la curva que adopta un hilo flexible sometido a su propio peso),
porque el cable principal pesa y de la parábola, porque también pesa el
tablero, sin embargo la influencia del cable es mínima y por ello en los cálculosgeneralmente se ha utilizado la parábola. Cuando se obtienen las relaciones
necesarias de la fuerza en el cable, se supone que el cable es perfectamente
flexible y que este no se puede extender. Debido a su flexibilidad, el cable no
ofrece resistencia a la flexión y por lo tanto la fuerza de tensión que actúa en
el cable es siempre tangente a este en toda su longitud.
Puesto que el cable no se puede extender, este tiene una longitud constante
antes y después de que se aplica la carga. Como, su geometría permanece
fija, y el cable o un segmento de él puede tratarse como un cuerpo rígido.
Se consideran tres casos para el análisis de cables, según hibbeler
- Cable sujeto a cargas concentradas
- Cable sujeto a una carga distribuida
- Cable sujeto a su propio peso
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2.4.3 Péndolas
Las péndolas son pre-fabricadas, estas son elevadas mediante grúas y
después llevadas por las pasarelas a su lugar final por un portal deslizante a
través de los cables guías, con lo que se colgarían las péndolas de arriba
hacia abajo. También se pueden instalar con un dispositivo de elevación
desde los cables, con lo que las péndolas se colgarían de abajo hacia arriba.
Figura 31: Péndolas
Referencia: (Duan, 2000)
Las péndolas de un puente colgante son perpendiculares al tablero y no
inducen ninguna fuerza horizontal sobre este. Excepto en los puentes
colgantes de auto anclaje, los cables principales llevan y transfieren cargas a
anclajes que están separados del puente. En este sentido, los puentes
atirantados son sistemas de auto anclaje (cables se pueden anclar en las
vigas de rigidez al final de los tramos laterales). Dado que las fuerzas
horizontales en los cables son transferidas al suelo en lugar de la viga, la viga
de rigidez no tendrá los efectos P-Delta como en los puentes atirantados y por
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Figura 32:Montaje del tablero desde el vano principal hacia las pilas
Referencia: (Gimsing-Georgakis, 2012)
Etapa 1: construcción de las fundaciones, encepados, estribos, las pilas y los
macizos de anclaje.
Etapa 2: construcción de los cables principales.
Etapa 3: se comienza a construir el tablero desde el centro de la luz del
puente. Cuando el peso de las secciones del tablero se va uniendo paso a
paso al cable principal, comienza a existir desplazamientos y cambios en la
curvatura del cable. Las uniones entre las secciones del tablero se dejan para
evitar excesivos esfuerzos de flexión en las vigas de la sección.
Etapa 4: comienza la construcción del tablero en los vanos laterales para
reducir los desplazamientos horizontales en la cima de las pilas.
Etapa 5: construcción de las secciones cerca de las pilas
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Etapa 6: cierre de las uniones del tablero (Gimsing-Georgakis, 2012).
Cuando un puente colgante se construye en este método de montaje del
tablero, desde la mitad del vano hacia las pilas, se hace simétricamente,
ocurriendo asimetrías sol