ANALISIS ESTRUCTURAL
JAIME E. LOPEZ OLSON
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA, INDUSTRIAS Y CONSTRUCCIÓN INGENIERÍA CIVIL CUENCA ENERO-2016
INTRODUCCION El presente trabajo nos indica el proceso que se tiene que realizar en base a una cronología la cual vamos a tratar de indicar las etapas necesarias y posibles técnicas y metodologías posibles que se tiene que seguir constructivamente para la construcción y proceso de conformación de un puente teniendo en cuenta siempre las seguridades y cumplimientos con lo establecido en el diseño ya que siempre va existir dificultades en el proceso y modificación de las secciones establecidas dentro del proceso constructivo sabiendo que el control es lo que define a un proyecto en su excelencia y tratando de tener lo menores errores dentro de la elaboración de la obra para llegar a su optimización y no tener problemas en el futuro con procesos mal realizados.
Ob!"#$% G!&!'() Realizar un anlisis de los procesos constructivos de un puente.
Ob!"#$%* E*+!#%* Relación entre el diseño estructural y los métodos y sistemas constructivos. En el Cuadro 1 se ha tratado de esquematizar, en función del tipo estructural, cómo se interrelacionan las etapas de proyecto con la de construcción, ésta última desde el punto de vista de la elección del procedimiento de construcción. El tipo de obstáculo a salvar define el tipo de puente a proyectar. ependiendo de lo que aqu! he definido como "rados de comple#idad de la obra, cabe la posibilidad de realizar el proyecto sin tener previamente definido un método de construcción $simple% o en el otro e&tremo tener que definir previamente cuáles son las posibilidades constructivas para lue"o adaptar el dise'o estructural de las distintas partes de la obra a aquellas.
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)-E7+ 6uncionales Económicos Estéticos Constructivos
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Cuadr o1
Clasificación básica de los Sistemas Constructivos de Puentes de Hormigón 0a clasificación básica resulta muy sencilla, definiendo tres sistemas básicos para construir un *uente de :ormi"ón que, con e&cepción del último, son aplicables tanto a la realización de la superestructura como a la infraestructura.
In
!
situ E#ecución de la estructura colando el hormi"ón fresco sobre un encofrado que alo#a las armaduras, activas o pasivas que han sido previamente dispuestas. Es el método constructivo de estructuras de hormi"ón más anti"uo. esde el punto de vista de la e#ecución de un puente, no siempre es aplicable, teniendo en cuenta los requerimientos de apuntalamiento del encofrado $cimbra% que dependen del emplazamiento y de la "eometr!a del puente. :oy en d!a se cuenta con sistemas de encofrados y cimbras metálicos que permiten lo"rar notables reducciones en los tiempos de monta#e y amortización de los equipos al posibilitarse reutilizaciones de los mismos. !
Prefabricación *artes estructurales o la estructura completa son elaboradas en un lu"ar distinto al de emplazamiento del puente. -e pueden eliminar costosos apuntalamientos y cimbras y sortear obstáculos para la obra. Como contrapartida, se requieren equipamientos au&iliares para trasporte, iza#e y colocación. En la actualidad, la tecnolo"!a aplicada a estos equipos ha permitido lo"rar notables avances en cuanto a las ma"nitudes de premoldeo. *or lo tanto, en función del alcance de la prefabricación en la construcción del puente, se podrá definir; o o
*refabricación *arcial $9i"as, ovelas, 0osetas, Cenefas, efensas, etc.% *refabricación (otal
!
tros -e a"rupan aqu! sistemas constructivos especiales, que en al"unos casos pueden mezclar las caracter!sticas de los anteriores. Es el caso de los tableros de puentes
inciden
en
la
elección
del
Sistema
En el punto anterior se mencionaron al"unos aspectos que condicionan la elección del tipo constructivo. -e pueden resumir de la si"uiente manera; bstáculo a
!
salvar !
#agnitudes de la obra
"
9olumen "
5epetitividad
"
4eometr!a $m%la&amiento de la obra istancia a centros de abastecimiento ccesibilida d !
$"ui%amiento 2edios de transporte, monta#e
producción
o
!
iza#e
y
Relación entre el Sistema Constructivo y la lu& %rinci%al del Puente Es posible correlacionar el sistema constructivo con la luz principal a salvar, a través fundamentalmente del tipo estructural que me#or se acomoda para cada ran"o de luz.. En el Cuadro =, se intenta resumir este concepto partiendo de la clasificación básica antes mencionada. C0-)6)CC)+
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Cuadr o'
Sistemas Constructivos Prefabricación
"ue
utili&an
la
0os sistemas en los que se utiliza la *refabricación, en cualquier "rado, son actualmente los de mayor aplicación "eneral en los puentes debido a todos o al"unos de los factores antes mencionados y a los que se describen a continuación.
$l %or"ué de la %refabricación y sus alcances. 0a )ndustria de la Construcción ha e&perimentado en los últimos a'os cambios sustanciales derivados de las nuevas tecnolo"!as y materiales. simismo, los plazos de obra más e&i"entes deben compatibilizarse con una optimización económica del proyecto, minimizando además el impacto ambiental en el entorno. (odos estos factores e&i"en poner mayor é nfasis en determinados aspectos del proyecto y construcción de estructuras, proponiendo diversas alternativas que conduzcan a
optimizaciones en tiempo, econom!as de obra, y me#oras del dise'o con el menor impacto en el medio ambiente. El empleo de la prefabricación en :ormi"ón, resulta una alternativa constructiva inme#orable para lo"rar los requerimientos antes mencionados. 0a eliminación de costosos encofrados, la mayor calidad de terminación de las superficies, la posibilidad de utilización de soluciones industrializadas, los menores tiempos de obra en el sitio, la menor dependencia de factores climáticos, o la imposibilidad de e#ecutar hormi"ones en sitio en determinados emplazamientos, son al"unas de las tantas razones que #ustifican el empleo de elementos prefabricados de hormi"ón. El uso de la prefabricación en puentes abarca todo el espectro de los mismos, desde las obras de arte menores hasta los de "randes luces, pasando por supuesto por los de mediana enver"adura, con distintos "rados de aplicación $6oto 1%. Es también notoria la diferencia del uso de la prefabricación se"ún se trate de la superestructura o la infraestructura. !oto 1 ( Puente R)*+ en #endo&a
0as técnicas de prefabricación total son mucho más comunes en el ran"o de puentes de luces reducidas, en tanto la prefabricación parcial se aplica con mucha más frecuencia en los puentes de ran"o de luces mediano a mayor. E&isten sin embar"o notorias e&cepciones, con casos que podr!amos catalo"ar como D*refabricación *esada, con dos e#emplos emblemáticos; el *uente +este del 4reat elt 0inF en inamarca y el *uente de la Confederación en el orte de Canadá $6otos = y B%,
!oto ' , Puente de la Confederación #onta-e de iga /0.'++ ton
!oto 2 , Puente Confederación terminado
de
la
con luces de 11@ m y ==@ m respectivamente. *or razones de emplazamiento $zonas de a"uas profundas, con"elamiento estacional% tanto la superestructura como la infraestructura han sido prefabricadas por partes en tierra firme, y lue"o transportadas y montadas en el lu"ar, lle"ándose a movilizar piezas de más de G.@@@ ton de peso y hasta 1>@ m de lon"itud.
Prefabricación Puentes.
en
la
Su%erestructura
de
/n alto porcenta#e de tableros de puentes de luces moderadas $1 a B? m% se construyen con elementos prefabricados pretensados como elementos estructurales principales. (ambién son utilizados cada vez con más frecuencia, elementos secundarios prefabricados para construcción del tablero $losetas de encofrado con incorporación de armaduras principales de la losa% y para terminación y defensa. Este tipo de construcción tan frecuente condiciona fuertemente el tipo estructural del tablero. 5esulta interesante analizar los tipos estructurales de tablero en relación con las posibilidades de prefabricación. !
3nálisis en función de las rigideces relativas del tablero en direcciones longitudinal y transversal.
(ableros formados por sistemas isótropos se construyen casi en forma e&cluyente con losas hormi"onadas Din situ, con luces reducidas y cuando se desea minimizar la altura de la sección. 5esultan secciones de mayor espesor promedio ya que e&iste un De&ceso de sección resistente se"ún la dirección transversal al e#e del puente. El ali"eramiento de la losa conduce a sistemas cuasiHisotrópos, de funcionamiento estructural bastante similar, pudiéndose reducir el espesor promedio. En cualquiera de estos dos sistemas, la conformación de la placa con elementos prefabricados enfrenta la complicación constructiva de tratar de vincular los mismos en forma efectiva. $6i". 1%
!ig. 1
0os sistemas estructurales más corrientes en tableros resultan aquellos en los que las ri"ideces estructurales en sentidos lon"itudinal y transversal son distintas, partiendo de un criterio racional en cuanto a la utilización del material. Es decir, las secciones de mayor resistencia se dispondrán se"ún la dirección de las mayores solicitaciones $lon"itudinal%. Estos constituyen los casos más corrientes para la utilización de elementos prefabricados en sentido lon"itudinal, vinculados en sentido transversal con estructuras con diversos "rados de ri"idez. En un e&tremo, con una relación de ri"idez transversalIlon"itudinal elevada, se ubican las placas ortótropas $6i". =%, y en el otro e&tremo con la misma relación nula, las vi"as dispuestas en serie $conti"uas% sin nin"ún tipo de vinculación transversal $6i" B%
!ig. '
!ig. 2
En un punto intermedio entre los e&tremos antes mencionados, se ubican los sistemas de emparrillados, que constituyen el tipo más corriente en la construcción de tableros; una serie de vi"as lon"itudinales prefabricadas $principales% vinculadas transversalmente con una losa hormi"onada in situ, superior o por fran#as laterales a las cabezas de las vi"as $6i". J y ?%
!ig. *
!ig. 4
-i bien era corriente hasta poco tiempo atrás la disposición de vi"as transversales en los tramos que aumentaran la ri"idez en sentido transversal y por ende me#oraran la repartición de las car"as $6i". >%, hoy en d!a solamente se disponen estos elementos en los e&tremos del emparrillado, en correspondencia con los e#es de apoyos de las vi"as principales. 0a repartición transversal de car"as se realiza e&clusivamente por la losa del tablero redundando obviamente en secciones más armadas, pero en cambio se obtienen beneficios con la eliminación de elementos constructivos de e#ecución costosa y complicada por la vinculación con las vi"as principales $6i". G%
!ig. 5
!ig. 0
En efecto, es conveniente detenerse a analizar este punto. 0a disposición de vi"as transversales en el tramo que constituyen elementos de considerable ri"idez, concentra las car"as a través de las mismas y por lo tanto sus armaduras y consecuentemente sus empalmes. 0as barras en espera que sobresalen de las vi"as principales prefabricadas, complican la construcción y transporte de las mismas. $6oto J%
!oto * ( 3rmaduras de es%era %ara vigas transversales
Como alternativa suelen de#arse pases en las vi"as principales que permiten un enhebrado posterior de las armaduras de las vi"as transversales, operación que puede resultar bastante dificultosa de realizar $6oto ?%. +tra alternativa posible es la utilización del postesado, pero debe tenerse muy presente que con lon"itudes de cables reducidas, la efectividad del mismo puede verse muy reducida por la incidencia de las pérdidas en los dispositivos de ancla#e.
!oto * ( Pases %ara armadura de vigas transversales
!
3nálisis en función del es"uema estructural en sentido longitudinal.
0os esquemas estáticos más corrientes en puentes con elementos prefabricados pueden a"ruparse en; o
6ramos sim%les o m7lti%les isostáticos /!ig. 8 a
-e trata sin duda del esquema más corriente y más simple desde el punto de vista constructivo. Como contrapartida, e&iste una "ran cantidad de #untas, las que constituyen puntos cr!ticos en el dise'o de un puente, ya que son elementos constructivos que requieren un alto "rado de mantenimiento. En la actualidad e&isten sistemas de #untas selladas con asfalto modificado de fácil reparación que solucionan los inconvenientes que en ese sentido presentan los sellos de "oma y peines metálicos. o
6ramos m7lti%les isostáticos con 9osas de continuidad /!ig. 8 b
0a losa de continuidad es la continuación de la losa del tablero sobre los apoyos intermedios. ebido a su escasa ri"idez en comparación la de las vi"as principales, no modifica la condición estática de éstas. Como contrapartida se ve fuertemente solicitada por las car"as de tránsito actuando en forma directa y por las deformaciones impuestas en sus e&tremos por las vi"as principales. 5esultan entonces tramos de losas con fuertes armaduras, pero se obtiene una superficie de rodamiento óptima. ebe también re"ularse la lon"itud continua de tablero a fin de no "enerar alturas e&cesivas en los dispositivos de apoyo. o
igas ti%o :erber o en Cantilever /!ig. 8 c
Con esta confi"uración estática se pueden salvar vanos de mayor lon"itud manteniendo las alturas estructurales. 0as articulaciones dispuestas en correspondencia con los puntos de 2omentos nulos, permiten traba#ar con un esquema de vi"a continua pero con todas las venta#as de monta#e de tramos simples que no deben lue"o unirse r!"idamente para transmitir fle&iones. o
igas continuas /!ig. 8 d
En oposición a la venta#a de poder utilizar alturas estructurales menores, aparece la necesidad de materializar uniones r!"idas a fle&ión, que resultan "eneralmente complicadas. En al"unos proyectos se plantean dos sistemas estáticos; tramos
simplemente apoyados para car"as permanentes de monta#e y hormi"onado de tablero, y tramos continuos para las car"as de tránsito. o se debe olvidar la variación de las solicitaciones en el tiempo entre uno y otro esquema debido a fenómenos reoló"icos del hormi"ón. -i la idea es utilizar en forma repetida los mismos elementos en todos los tramos, se pierde la compensación entre luces e&tremas e intermedias de las vi"as continuas. a% 0osa de continuidad
b%
c%
d% !ig .8
Prefabricación Puentes.
en
la
Infraestructura
de
Contrariamente a lo que sucede en el caso de la superestructura, no resulta tan común el uso de la prefabricación en la construcción de los apoyos del puente, con e&cepción de determinados elementos, como pueden ser los pilotes hincados. o
Pilas
-i bien se han desarrollado sistemas de pórticos !nte"ramente prefabricados $columnas y dinteles%, en la mayor!a de los casos corrientes, donde se ten"a un acceso relativamente fácil a la obra, la utilización de sistemas de encofrados industrializados #unto con la posibilidad de bombeo de hormi"ón y la utilización de los servicios de corte y armado en fábrica, hacen que la construcción in situ sea la alternativa más venta#osa. o
$stribos
En los apoyos e&tremos de los puentes sucede lo mismo que para las pilas, con e&cepción de los estribos reales. Este tipo estructural contiene todo el empu#e del terraplén, con lo cual se "eneran importantes superficies de muros de contención.
!otos 5 y 0 ( #uros y $stribos de Puente en 3uto%ista 3cceso este a ;uenos 3ires
Comienza a ser de uso corriente el empleo de elementos premoldeados tipo pantalla, de caracter!sticas similares a los utilizados para muros de sostenimiento, que pueden ser adaptados para recibir el apoyo e&tremo del puente $6otos > y G%.
o
#uros de sostenimiento
-i bien pueden no formar parte de la estructura de un puente, su presencia resulta de suma importancia en determinadas obras viales. Estas estructuras, que deben soportar los empu#es laterales de los rellenos o cu'as de deslizamiento y las sobrecar"as sobre los mismos, dependiendo del caso pueden e&tenderse a lo lar"o de varios Filómetros. 4randes superficies a cubrir, e&i"en propuestas constructivas adecuadas, que compatibilicen tiempos y costos razonables con buenas terminaciones. 0as "randes superficies provocan un fuerte impacto visual sobre los usuarios de las carreteras o sobre los vecinos a las mismas y deben inte"rarse de la me#or manera posible con el paisa#e $6oto % El de prefabricación :ormi"ón, result una constructiva inme#orable para lo"rar los requerimientos antes mencionados. 0a eliminación de costosos encofrados, la mayor calidad de terminación de los paramentos vistos con posibilidad de tratamiento arquitectónico, y la eliminación de las complicaciones constructivas de e#ecución de #untas, son al"unas de las muchas venta#as. !oto 8 , 3cceso a 3ero%uerto Internacional Hartsfield ( 3tlanta , $<3
esde el punto de vista estructural, la utilización de elementos premoldeados en los paramentos permite erradicar una patolo"!a muy común en los muros, como son las fisuras por contracción. demás, por tratarse de elementos independientes entre s!, son mucho menos sensibles a los asentamientos diferenciales. El proyecto debe orientarse a lo"rar soluciones estandarizadas que puedan ser utilizadas en la mayor cantidad posible de lu"ares, permitiendo e&plotar al má&imo las venta#as de una construcción industrializada. o debe descartarse asimismo durante la elaboración del proyecto, la posibilidad de adaptación del mismo a las diversas tecnolo"!as e&istentes en el mercado proporcionadas por empresas fabricantes de elementos premoldeados.
Puentes 3rgentina.
de
reciente
construcción
en
En la actualidad en r"entina es muy común la aplicación de métodos y sistemas basados en la prefabricación en diversos "rados para la construcción de puentes. 6ableros $m%arrillados /n alto porcenta#e de los puentes construidos recientemente corresponden a estructuras de luces moderadas en los que el sistema estructural para la superestructura está constituido por un emparrillado de vi"as premoldeadas con losa Din situ $6oto K%. Este sistema se #ustifica por las caracteristicas "eo"ráficas, la tecnolo"!a instalada y razones de tiempos y costos de obra. !oto = ( Puente Pellegrini sobre la 3uto%ista 3cceso este a ;uenos 3ires
0a mayor!a de los puentes del pa!s responden a los llamados puentes de llanura, es decir, puentes que salvan obstáculos de moderada altura o profundidad, pero de considerable e&tensión y que en el caso de los r!os presentan importantes variaciones estacionales. 4eneralmente estos puentes se encuentran ale#ados de los centros urbanos y de abastecimiento, lo cual dificulta disponer de mano de obra en el lu"ar, pero con un acceso a los mismos de relativa facilidad. (odos estos factores hacen de la prefabricación la opción más conveniente. (ambién es usual el uso de emparrillados de vi"as premoldeadas en la construcción de viaductos urbanos por razones económicas, en desmedro de otros sistemas tales como la construcción se"mental, que es "eneralmente utilizada en pa!ses de mayor desarrollo en este tipo de viaductos, por cuestiones estéticas y sobre todo técnicas ya que disminuyen la afectación del tránsito durante la etapa constructivas. $6oto 1@%
!oto 1+ ( 3uto%ista '4 de #ayo en ;uenos 3ires. >istribuidor = de ?ulio.
El procedimiento constructivo de la superestructura con emparrillados de vi"as para puentes de luces moderadas, se puede encuadrar dentro de lo que se ha definido como procedimientos simples $Cuadro 1%, es decir aquellos en los que el proyecto puede independizarse del procedimiento constructivo. *rimero se desarrolla el proyecto, $se adoptan vi"as prefabricadas y losa Din situ%, y lue"o el procedimiento constructivo se deberá adaptar a aquél. $lementos tableros
constitutivos
de
los
*ara las vi"as se adoptan distintas secciones $doble Dte, ca#ón u otros% $6oto 11% y también diferentes sistemas como ser pretensado en banco, postesado $6oto 1=% o también simplemente armadas.
!oto 11 ( igas doble @6$A , Cruce 3v. >e 9a Serna sobre vBas e !C Roca ( 3 vellaneda.
!oto 1' ( Postesado de igas , Cruce 3v. >e 9a Serna sobre vBas e !C Roca ( 3vellaneda.
*ara las secciones de vi"as doble Dte, e&isten dos alternativas. 0a primera es con alas anchas $6i". ? y 6oto 11%, en las que la cabeza comprimida de la vi"a forma parte de la losa del tablero. Con estas vi"as se lo"ra; 2inimizar el volumen de hormi"ón colocado en sitio. 2enor volumen de armadura de losa a colocar en obra ya que parte de la misma está incorporada en la vi"a. 5educir y simplificar el encofrado de la porción de losa en sitio. !
!
Como desventa#a debe destacarse el hecho que el transporte de estos elementos con salientes de "randes dimensiones resulta más en"orroso. 0a otra sección t!pica de vi"a es la de cabeza chica, con la losa de tablero superpuesta $6i". J y 6otos 1B y 1J%. *ara luces moderadas, esta sección de vi"a es muy apta para su fabricación en banco de pretensado. Es usual combinar este tipo de sección con losetas como encofrado perdido $6otos 1? y 1>%, a las que se incorporan las armaduras principales de tablero. !oto 12 ( iga de P uente Pretensada ( !ábrica PR$3R S.3.
!oto 1* ( iga Pretensada en Puente sobre Calle 9a%rida ( Camino )egro.
!oto 1* ( #onta-e de losetas en Puente sobre Calle 9as Heras ( Camino )egro.
!oto 14 ( Prelosas Puente sobre 3D CacEorro ( Camino 3cceso al :laciar P. #oreno
+tros elementos prefabricados de uso corriente en la construcción de tableros son las cenefas laterales de terminación y las defensas vehiculares. $6i". K y 1@%
!ig. = ( Cenefas %remoldeadas
!ig. 1+ ( >efensas veEiculares
#onta-e tableros.
de
los
En la medida que la accesibilidad esté "arantizada, la forma más corriente de monta#e de los tableros emparrillados es con "rúas, tanto para las vi"as principales como para las prelosas $6otos 1> a 1%.
!oto 15 ( #onta-e de igas %rinci%ales en >istribuidor = de ?ulio ( 3uto%ista '4 de #ayo
!oto 10 ( #onta-e de igas %rinci%ales en >istribuidor = de ?ulio ( 3uto%ista '4 de #ayo
!oto 18 ( #onta-e de Prelosas en Puente sobre 3D CacEorro ( Camino de 3cceso al :laciar P. #oreno
En ocasiones es necesario recurrir a elementos au&iliares como vi"as de lanzamiento, como se muestra en la 6oto 1K, correspondiente al tramo central de un puente con un esquema estático lon"itudinal tipo 4erber. 0os tramos laterales fueron montados con "rúas $6otos =@ y =1%
!oto 1= ( #onta-e de iga Pinci%al tramo central en Puente 3v. >e 9a Serna sobre vBas e !C Roca , 3vellaneda
!oto '+ ( #onta-e de iga Pinci%al tramo lateral $ste en Puente 3v. >e 9a Serna sobre vBas e !C Roca , 3vellaneda
!oto '1 ( #onta-e de iga Pinci%al tramo lateral este en Puente 3v. >e 9a Serna sobre vBas e !C Roca , 3vellaneda
Infraestructur a 0os e#emplos mencionados se refieren solamente a la superestructura. (al como se ha descripto anteriormente, la utilización de la prefabricación en la construcción de la infraestructura de puentes en la r"entina no es muy común al i"ual que en el resto del mundo. Con e&cepción de pilotes prefabicados hincados o contención de rellenos con elementos pantallas premoldeadas, las pilas y estribos y sus fundaciones se realizan con hormi"ón colado en el lu"ar.
!oto '' ( ?aula %ara Pilote $cavado >istribuidor = de ?ulio ( 3uto%ista '4 de #ayo
0a optimización de tiempos yIo de recursos se buscan mayormente mediante la industralización del doblado y armado de los hierros, la utilización de hormi"ones preH elaborados, el colado del hormi"ón mediante bombas y la aplicación de encofrados estandarizados $6otos ==, =B y =J%.
!oto '2 ( #onta-e de 3rmadura de >intel ( 3uto%ista '4 de #ayo ( >istribuidor = de ?ulio
!oto '* ( $ncofrado de Columna ( 3uto%ista '4 de #ayo ( >istribuidor = de ?ulio
