Contenido CAPÍTULO I .......................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 1 1.1
ANTECEDENTES.-................................................................................................................. 1
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CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES.-
A lo largo de la historia, los puentes han demostrado ser elementos principales en vías de comunicación terrestre, gracias a sus distintas funciones que van desde vincular tramos separados por depreciaciones naturales como ríos o quebradas, mejorar flujos vehiculares como es el caso de los cruces a desnivel o inclusive otros que sirven de viaductos para unir caminos, proporcionando soluciones que además de brindar comodidad y seguridad a sus usuarios, coadyuvan al desarrollo socio-económico. El basarse en normativas para el diseño de este tipo de estructuras es de suma importancia, ya que estas proporcionan parámetros de seguridad y funcionalidad indispensables. Dadas las evidentes condiciones de carencia de normativa en nuestro país para el diseño de puentes, es inevitable usar especificaciones que además de adaptarse a nuestro medio, nos permita realizar un diseño claro, concreto y sobre todo seguro por medio del cual podamos dar solución a los problemas que se nos presentan. Es por todo lo citado anteriormente que gran parte de este tipo de estructuras se diseña con la normativa de la Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras Estatales y Transporte o por sus siglas en inglés AASHTO. Esta normativa, que inicio sus publicaciones en 1914, brindo su primera especificación para el diseño y construcción de puentes en el año 1931, con el objetivo de usar los materiales y métodos de forma mas racional, otorgando resultados mas precisos sobre el comportamiento estructural. Esta fue evolucionando con el uso de la tecnología y sistemas informáticos, y no fue hasta el año 1987 que se noto que estas especificaciones estándar no incorporaban la filosofía de un diseño mas reciente llamado Diseño por carga de resistencia factorada o por sus siglas en ingles LRFD, la cual toma en cuenta de manera explicita la variabilidad en el comportamiento de los elementos, haciendo uso de métodos estadísticos aplicables con mayor facilidad por los diseñadores. Por su parte, la construcción de puentes con volados sucesivos propone una solución constructiva para cubrir grandes luces en las cuales se hace imposible tanto el uso de estructuras adicionales para su construcción como el uso de pilas intermedias en ríos de grandes caudales. Este método tuvo sus inicios en el siglo XIX cuando se inició su fabricación inicialmente con estructuras metálicas para posteriormente construirse el primer puente de hormigón armado en Brasil cerca de 1930, con conceptos básicos y sin aprovechar óptimamente los materiales. No fue hasta 1950 cuando Finsterwalder inauguró la técnica de volados sucesivos en hormigón presforzado, método constructivo que si bien presenta complicaciones en su análisis y diseño, proporciona métodos que facilitan la construcción de puentes de grandes luces, aprovechando las secciones y los materiales que los componen de mejor manera. De esta manera, la normativa citada anteriormente fue desarrollando especificaciones para este método hasta que finalmente se logró desarrollar una especificación exclusiva para este tipo de estructuras por parte del Instituto Americano de Puentes Segmentados o por sus siglas en ingles ASBI, la cual hace mayor referencia a puentes con volados sucesivos a partir del año 2004. 1
El método en si consiste básicamente en anexar sucesivamente trabes o dovelas, una tras otra hasta completar el puente. Estas dovelas pueden ser prefabricadas o vaciadas in situ y van conectadas unas con otras por medio de cables de pretensado, que deben permitir soportar el peso propio de la estructura, el peso de la dovela siguiente y el peso del equipo de montaje. En nuestro país, con el paso de los años la necesidad de vincular tramos carreteros separados por grandes luces en ríos y quebradas se ha hecho cada vez mayor, induciendo a la construcción de este tipo de estructuras. Podemos citar estructuras tales como el puente Ustarez construido en 1973, el puente Lipari en el camino La Paz – Oruro y otros construidos recientemente tales como el puente San Juan, en el tramo carretero Sucre- Cachimayu, y el puente mas largo de Bolivia con una luz de 502 metros en Villamontes. Por otra parte, en la actualidad en Chuquisaca existen regiones que necesitan de puentes para salvar accidentes geográficos. Tal es el caso de la población de “El Paredón” que se encuentra en el tramo carretero La Zapatera – Mojotoro, en la ruta principal 5. Al ingreso a la población se presenta un obstáculo natural en su conexión directa con la carretera principal, con afluyentes de la quebrada Chaqui Mayu y el Río Chico que en época de lluvias generan inconvenientes en el traslado de los productos de dicha comunidad, al ser esta uno de los principales abastecedores de víveres y legumbres a la ciudad de Sucre, ocasionando problemas tales como migración y bajo desarrollo socio-económico entre muchos otros, que influyen directamente en la calidad de vida de sus habitantes. 1.1.1. Clasificacion.Dada la constante evolución en la construcción de los puentes, estos han incrementado tanto sus variedades a tal punto que es posible clasificarlos y categorizarlos de distintas formas y según los autores y las bibliografías que se consulten. Entre todas ellas podemos resumir su clasificación como se señala a continuación: a) Por su longitud Puentes mayores (Luces de vano mayores a los 50 metros). Puentes menores (Luces entre 6 y 50 metros). Alcantarilla (Luces menores a 6 metros). b) Por su objetivo o servicio que presta: Puentes camineros. Puentes ferroviarios. Puentes aeroportuarios. Puentes acueducto (para el paso de agua solamente). Puentes canal (para vías de navegación). Puentes para oleoductos (tubos colgantes). Puentes grúa (en edificaciones industriales). Pasarelas (puentes peatonales y también acémillas). Puentes mixtos (resultado de la combinación de casos). 2
c) Según el material que compone la superestructura Puentes de madera. Puentes de mampostería de ladrillo. Puentes de mampostería de piedra. Puentes de hormigón ciclópeo. Puentes de hormigón simple. Puentes de hormigón armado. Puentes de hormigón pretensado. Puentes de sección mixta. Puentes metálicos. d) Según la ubicación del tablero: Puentes de tablero superior. Puentes de tablero inferior. Puentes de tablero intermedio. Puentes levadizos. e) Según transmisión de cargas a la infraestructura: Puentes de viga. Puentes porticados. Puentes de arco. Puentes en volados sucesivos. Puentes obenque (atirantados). Puentes colgantes. f)
Según sus condiciones estáticas: Isostaticos: Puentes simplemente Apoyados. Puentes continuos con articulaciones (Gerber). Hiperestáticos: Puentes continuos. Puentes en arco. Puentes porticados. Puentes isotópicos o espaciales. Transición: Puentes en volados sucesivos (pasan de ser isostáticos en la etapa de construcción a hiperestáticos en la etapa definitiva).
g) Según el ángulo que forman con la perpendicular al eje del puente respecto al eje del paso inferior (o de la corriente del agua): Puentes rectos (Ángulo de esviaje 90°). 3
Puentes esviajados (Ángulo de esviaje menor a 90°). Puentes curvos (Ángulo variable a lo largo del eje). h) Según su duración: Puentes definitivos (Más allá de la vida útil estimada en su costo). Puentes temporales (muchas veces permanecen por tiempo prolongado). 1.1.2. Elección del tipo de puente. La elección del tipo de puente más adecuado, está en función a: La topografía del sitio de emplazamiento, la cual es encargada de proporcionar un plano de la ubicación, la planimetría con curvas de nivel por lo menos cada metro, las secciones transversales tanto del eje propuesto, como de otras situadas 10 y 20 metros aguas arriba y abajo del eje propuesto, y por ultimo un perfil longitudinal de la vía. La hidrología, la cual debe incluir datos de medias anuales, crecidas máximas y mínimas, la velocidad de corriente en crecidas máximas, el caudal medio, las variaciones climatéricas y materiales de arrastre. Estudios de suelos, los cuales deben proporcionar datos como sondeos geofísicos en los probables emplazamientos de la infraestructura, con la extracción de materiales para la clasificación de los mismos y, datos de las características de resistencia del terreno. Esta serie de actividades deben proporcionar datos confiables y precisos, ya que de ellos dependen no solo la elección del tipo de puente, sino también la elección del tipo de fundaciones y la correcta evaluación de socavaciones. 1.1.3. Puentes de hormigón pretensado. Hoy en día, la aplicación del hormigón presforzado es prácticamente ilimitada, puesto que muchas de las estructuras civiles construidas en la última década han demostrado su gran eficiencia que va desde losas para edificaciones, hasta vigas para puentes de grandes claros, y dado sus grandes resultados acompañados de la rapidez de construcción, la eficiencia de sus elementos y el menor peralte obtenido con respecto a otras soluciones, han hecho que este método constructivo sea el indicado para la construcción de estructuras de gran envergadura como son los puentes vehiculares. Más aun dadas las condiciones de nuestro medio que tiene gran cantidad de materia prima referida al cemento y a los agregados que son la principal materia prima del hormigón, han hecho posible seleccionar este material en casi todas estas estructuras. 1.1.4. Historia de los puentes con volados sucesivos. La construcción de puentes con volados sucesivos data de siglos atrás, con gran variedad de materiales y únicamente basados en experiencias anteriores, hasta que con la revolución industrial, la trabajabilidad del acero como material de construcción aumentó notablemente y también asi su aprovechamiento para la construcción de puentes metálicos. Sin embargo, no fue 4
hasta 1930, año en el cual se construyó un puente cone volados sucesivos en Brasil, de hormigón armado sin aprovechar óptimamente los materiales y únicamente con conocimientos empíricos. La técnica en si fui innovada por el ingeniero alemán Ulrich Finstelwalder, el cual fue el principal impulsor de dicho método constructivo, aprovechando las propiedades del hormigón presforzado, cerca del año 1950 en puentes como el Bendorf, en Alemania, cubriendo por primera vez una luz de 280 metros con una estructura de hormigón presforzado con volados sucesivos. Para que este método llegue a nuestro país tuvieron que transcurrir más de dos décadas, cubriendo inicialmente una luz de 124 metros sobre el rio Pilcomayo en el puente Ustares en 1973, y a partir de este año, muchos otros como es el caso de algunos últimos construidos como el puente San Juan, con una luz aproximada de 150 metros y otro de gran importancia por ser el más largo de Bolivia construido con volados sucesivos, con una luz de 502 metros en el departamento de Tarija.
1.1.5. La técnica de los volados sucesivos. La técnica de los volados sucesivos tiene por característica principal la particularidad de anexar sucesivamente trabes o dovelas, cada una de forma independiente pero a la vez conectadas entre si a través de cables de presfuerzo. Estas dovelas pueden ser prefabricadas o vaciadas in situ, y los cables de postensado deben permitir soportar inicialmente el peso propio de la estructura, el peso de la dovela siguiente y el peso de un equipo de montaje que en el caso de dovelas prefabricadas se reduce a un lanzador móvil, y en el caso de dovelas vaciadas insitu una estructura algo mas compleja. Los cables de presfuerzo son generalmente elementos de gran resistencia a la tracción, con modulos de elasticidad elevados y gran ductilidad, los cuales son tesados por gatos hidráulicos. El conjunto de estos cables se conoce como toron. Estos cables pueden ser tesados mediante dos sistemas. El primero corresponde al sistema monotoron, en el cual se aplica el presfuerzo toron por toron, de forma individual. La ventaja principal de este sistema es que se puede tener una mayor control de las variaciones de longitud en el momento de la aplicación de la fuerza, y de esta forma evitar posibles accidentes por una aplicación excesiva del presfuerzo. Sin embargo, dado que los puentes de hormigón presforzado generalmente están constituidos por gran cantidad de torones, este procedimiento se hace largo y tedioso. El segundo sistema de tesado es llamado multitorón, método que se caracteriza por tesar varios torones en conjunto, procedimiento que ayuda a optimizar el tiempo de tesado, pero como principal desventaja resalta el hecho de no poder realizar un control exhaustivo como es el caso del sistema monotoron, por lo cual es recomendable tomar en cuenta todas las previsiones necesarias con el fin de evitar algún tipo de incidentes como la falla de alguno de los torones. En el caso de los puentes construidos con el método de los volados sucesivos, cada uno de los elementos dovelas es tesado de forma independiente, con la finalidad de que esta pueda soportar tanto su peso propio como el peso del siguiente elemento dovela, hasta que por fin se 5
llega al punto crítico del puente que se conoce como clave, que generalmente se encuentra en la parte central del vano. El proceso constructivo de la subestructura depende del tipo de vano que se realice, ya que este puede ser central y lateral. Para los vanos laterales generalmente se parte desde una pila, y se procede a realizar o en su caso lanzar cada dovela, hacia cada uno de los lados de la pila, esto con el fin de no someter la infraestructura a flexiones, y haciendo que la estructura en si funcione como una balanza que está cargada en ambos lado con los mismos pesos de estructura, es decir el mismo número de dovelas. Este procedimiento se realiza generalmente a puentes con tres vanos, de tal forma que se realizan ambos lados del puente simultáneamente. Es de suponer que en varios casos, el número de las dovelas del extremo sean menores a las de la mitad del vano central, lo que generaría flexión a la pila, es por eso que se aprovecha la sección cajón que generalmente componen este tipo de puentes para rellenarlo de tierra y de esta manera utilizar este como contrapeso y así evitar que los elementos apoyo sean sometidos a esfuerzos innecesarios. Al mismo tiempo de realizar este procedimiento de construcción del extremo, se realiza también la construcción del vano central hasta llegar hasta el elemento central en la clave. Es importante en todo momento realizar un control del perfil longitudinal de la estructura, puesto que una falla generaría errores incorregibles como que las dovelas lanzadas en distintos lados del vano central no se lleguen a encontrar en la clave y haya una variación de cotas en el perfil. También es posible que se presente el caso de tener que construir las dovelas de un extremo sin que haya nada que contrarreste el peso de la estructura. En este caso es necesario utilizar algún tipo de estructura adicional que sirva como apoyo únicamente en el proceso constructivo o en su caso algún sistema de apuntalamiento que permita sostener la estructura hasta que esta sea tesada. En el caso de las dovelas existen dos métodos en su elaboración, tal como se cita a continuación: Dovelas prefabricadas.Este tipo de dovelas se construyen ya sea en el lugar de la obra, usando un patio de trabajo, o en su caso en algún lugar que permita realizar su proceso constructivo cómodamente, y tiene por característica principal su facilidad en su construcción, ya que al ser construidas en un patio de trabajo, es posible construir todas las dovelas necesarias al mismo tiempo. Una vez que se obtiene la resistencia deseada en el hormigón, se procede al izado de estas dovelas, y es ahí donde generalmente nacen los problemas, ya que al ser estas izadas, se necesita de una estructura adicional capaz de soportar el peso de cada dovela, lo que se complica en ríos con caudal constante. Estas dovelas se colocan a partir de las pilas con ayuda de grúas y se colocan sucesivamente una tras otra sobre las ya prefabricadas y como se mencionó anteriormente estas se apoyan temporalmente hasta que se aplica la fuerza de pretensado por medio de cables que se enfilan a lo largo de los conductos de cada dovela. Dovelas vaciadas in situ.-
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En este método, al igual que en el caso anterior, se procede a construir las dovelas a partir de las pilas, y en su proceso constructivo se hace uso de encofrados deslizables, que por lo general están sujetados a la dovela anterior. Una vez vaciada la primera dovela, se espera a que adquiera la resistencia requerida para que se pueda proceder al proceso de tesado, que en este caso se realiza tanto elemento por elemento como en todo el vano conformado por todas las dovelas. Una vez que una dovela es tesada, esta tiene que ser capaz de soportar su peso propio y además el peso del encofrado de la siguiente dovela, y por último el peso de la dovela siguiente. Dadas las condiciones de uso de encofrados deslizables, se hace evidente que no es necesario usar elementos adicionales como cimbras o grúas como en el caso anterior, lo que hace que este método sea el más selecto por la mayor parte de los ingenieros que realizan estas estructuras. 1.1.6. Características constructivas de puentes con volados sucesivos. Sea la estructura de unidades prefabricadas o vaciadas in situ, se presentan características constructivas tales como que en puentes continuos, se avanza por ménsulas simétricas dobles desde las pilas con el fin de que las dovelas partan apoyadas de los tramos externos y se encuentren en el centro de los tramos internos. En el caso de que no exista simetría se procede a empotrarlos a los cimientos por láminas inclinadas o a usar un relleno como contrapeso. Los cables por lo general se localizan en las zonas de momentos negativos, es decir en la parte superior de la sección, exceptuando las zonas centrales y las que estén cerca de los apoyos, donde existe momentos positivos, obligando a ubicar los cables en la parte superior de la sección. En todo momento se hace uso del diagrama de momentos flectores para la distribución de los cables de presfuerzo, jugando con sus posiciones según corresponda, y aplicando la fuerza que sea necesaria en las dovelas de acuerdo al número de cables optado, de manera que el presfuerzo sea suficiente para contrarrestar los efectos de los pesos muertos, incrementando al mismo tiempo la fuerza de pretensado en las dovelas anteriores. En todos los puentes con volados sucesivos se seleccionan las secciones cajón, ya que es necesario usar la losa inferior para la compresión y además estas proporcionan características como ser altamente eficientes aportando rigidez a la torsión y estética a la estructura. En el proceso de cálculo se procede a realizar dos etapas por separado. La primera en la etapa constructiva, que funciona isostáticamente como una viga en voladizo, y la segunda en la etapa de servicio, en la cual la estructura en general funciona hiperestáticamente. 1.2. OBJETIVOS DEL ESTUDIO. 1.2.1. Objetivo general. Diseñar estructuralmente un puente vehicular de sección viga cajón mediante especificaciones AASHTO LRFD 2007 construido por el método de volados sucesivos para el tramo La Zapatera – El Paredón.
1.2.2. Objetivos específicos.
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Analizar los conceptos teóricos a profundidad sobre el estudio de puentes postensados con volados sucesivos. Analizar la correcta zona de emplazamiento Aplicar los conceptos estudiados sobre el diseño de vigas de sección cajón de inercia variable para el método de volados sucesivos. Analizar las cargas actuantes y los parámetros de diseño de puentes mediante especificaciones AASHTO LRFD 2007. Estudiar los conceptos relativos al hormigón Armado y la teoría de la elasticidad para puentes construidos con el método de volados sucesivos 1.3. JUSTIFICACIÓN. La presencia de distintas irregularidades en la topografía de nuestro país acompañada de la necesidad de las personas de trasladar sus productos, han generado la necesidad de buscar formas constructivas que permitan cubrir grandes luces, haciendo uso eficiente de los materiales y proporcionando estructuras que cumplan con los principales estándares de construcción y funcionabilidad planteados por normativas internacionales, evitando daños posteriores en los componentes de estas estructuras de gran envergadura y alto costo , y de esta manera otorgar un servicio cómodo y seguro para sus usuarios. Por otra parte, el salvar la depresión que se origina por los afluyentes de la quebrada Chaqui Mayu y principalmente del río Chico, generan la necesidad de optar por un método constructivo para un puente, que evite el uso de estructuras complementarias y apoyos intermedios, y que a su vez cumpla con las solicitaciones que se presenten a lo largo de su vida útil, para que de esta manera, la localidad de “El Paredón” de solución a la problemática que se le presenta en época de lluvia, en la cual a consecuencia de las riadas de gran magnitud, se hace imposible que esté vinculada con la ruta principal 5, que es el medio por el cual este gran productor de hortalizas transporte sus productos a la ciudad de Sucre. La imposibilidad de atravesar los aproximadamente 250 metros de ancho que presentan ambos afluyentes en esta sección, proponen un reto para la ingeniería, principalmente cuando como en este caso, las luces a salvar son de gran longitud, lo que obliga a usar estructuras livianas capaces de soportar las distintas solicitaciones que se presenten a lo largo de su vida útil, es por esta razón que se propone un puente de sección cajón, construido por el método de volados sucesivos, con el cual se dará solución al perfil transversal que presenta la topografía en esta sección, empleando en forma óptima los materiales, y satisfaciendo la luz que se desea cubrir.
1.4. APORTES A LA DISCIPLINA El presente proyecto contribuirá a profesionales y estudiantes entendidos en la materia, principalmente en la toma de decisiones para la proyección de puentes presforzados con especificaciones AASHTO LRFD dando a conocer las ventajas del diseño con el método constructivo de volados sucesivos. 8
Con el desarrollo del presente proyecto se pretende otorgar una alternativa al uso de elementos presforzados para el diseño de puentes que cubran grandes luces con elementos livianos, brindando las especificaciones necesarias para conocer el tema a profundidad. El presente documento servirá como guía a estudiantes y profesionales de Ingeniería Civil, aportando a la escasa bibliografía existente en nuestro medio para el diseño estructural de puentes presforzados con el método de volados sucesivos. 1.5. SUPUESTOS Y EXPECTATIVAS Los supuestos y expectativas que asume el presente proyecto son: Se tomara como guía las especificaciones AASHTO LRFD 2007 y todas las recomendaciones entrañadas en su contexto serán válidas para su diseño. Respecto a la hidrología se recurrirá al servicio nacional de meteorología e hidrología SENAMHI para recabar toda la información correspondiente También es posible mencionar las expectativas que se generan con el desarrollo del presente estudio: Manifestar todas las ventajas que ofrece el diseño de puentes con el método de volados sucesivos Proponer el diseño de un puente vehicular capaz de solucionar los problemas de vinculación que afronta la comunidad de “El Paredón” 1.6. ALCANCES DEL ESTUDIO El presente proyecto contempla dar solución al problema de los habitantes de la comunidad de “El Paredón” por medio de un puente vehicular construido por el método de volados sucesivos por lo cual se realizará una revisión clara y concreta acerca del comportamiento de estas estructuras. Así mismo se realizará un estudio topográfico del lugar describiendo su forma y relieve, con el fin de ubicar su emplazamiento y las dimensiones exactas de los elementos estructurales. Se realizaran los estudios necesarios referidos a la mecánica de suelos correspondiente al emplazamiento de la estructura. El presente proyecto no involucra un análisis sismo resistente de la estructura puesto que esto precisaría un estudio profundo del comportamiento de este tipo de estructuras ante un evento de este tipo, además de un estudio geológico completo referido a la probabilidad de que un terremoto se dé lugar en el sitio de emplazamiento.
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CAPITULO II ASPECTOS GENERALES DEL ÁREA DE APLICACIÓN 2.1. UBICACIÓN. El presente proyecto se aplicara a la comunidad de “El Paredón” en la provincia de Oropeza, del departamento de Chuquisaca. Sus coordenadas geográficas son 18° 57’ 24.91” latitud sur y 65° 55’ 99” longitud oeste, a una altura media de 2000 msnm. El proyecto se ubicara en la ruta 5 de nuestro país, hacia el norte de nuestro país, sobre la intersección de la quebrada Chaquimayu, con caudales máximos en época de lluvias y el río Chico con escurrimiento permanente a lo largo de todo el año, desviando aproximadamente 3 km hacia la comunidad de “El Paredón”. 2.2. JUSTIFICACIÓN. La ubicación y las posibilidades de riego de la comunidad de El Paredón han hecho de esta, uno de los principales proveedores de hortalizas, frutas y legumbres a la ciudad de Sucre, los cuales pueden ser transportados con mucha dificultad principalmente en época de lluvias, ya que para que estos puedan acceder a la carretera principal, deben cruzar por aproximadamente 300 metros de lecho de río que en sus peores condiciones logran impedir el paso de cualquier tipo de vehículos, lo que provoca que estos productos no sean trasladados a tiempo, reduciendo cualquier posibilidad de incrementar los beneficios sociales y económicos a los cuales pretenden llegar los comunarios. Por otra parte, con la construcción de un puente sobre la intersección de la quebrada Chaquimayu y el río Chico, se pretende vincular directamente a la comunidad de El Paredón, e indirectamente a otras tales como Orurillo, Ancarani, Mazo Cruz y Pojro entre muchas otras. 2.3.
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