Límites de utilización y tendencias en la utilización de puentes con dovelas prefabricadas

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Viga de lanzamiento de dovelas. Fuente: http://www.tecsa.com.mx/

La luz máxima económica para puentes construidos mediante dovelas prefabricadas es de unos 150 m. Por encima de 120 m, el coste de los dispositivos de colocación, en particular la viga de lanzamiento, crece rápidamente, al igual que el peso de las dovelas. En cuanto a luces mínimas, se han construido pasos superiores de 18 m con este sistema. Además, la prefabricación se ve favorecida con el número de obras idénticas a construir. Otro factor a tener en cuenta es la superficie total del tablero. Así, y dependiendo de la disponibilidad de los medios auxiliares de la empresa, se necesitaría un mínimo de 5000 m2 de tablero para considerar la utilización de dovelas prefabricadas mediante grúas, cerchas o puentes-grúa, e incluso con equipos móviles que se desplacen por el tablero. En cambio, es necesario un mínimo de 10000 m2 de tablero para colocar las dovelas prefabricadas con una viga de lanzamiento.

En cuanto a las tendencias actuales en este tipo de puentes, podemos citar las siguientes:

  • Supresión de la cola en las juntas: Su eliminación presenta ventajas, no sólo por el coste de la cola, sino por reducir el tiempo de ensamblaje al permitir la unión en una sola operación de todas las dovelas de un vano. Sin embargo su supresión significa renunciar al efecto rubricante e implica una mayor precisión en el ensamblaje de las dovelas para no fisurar las llaves al concentrarse sobre ellas los esfuerzos. La cola permite el reparto de las cargas y la eliminación de los puntos duros originados por rebabas, retracciones diferenciales u otros defectos. Además, las recientes investigaciones muestran que la resistencia a rotura de las uniones con junta seca son inferiores a las de juntas con cola.
  • Elementos prefabricados como encofrado: En paramentos con formas complejas o para acabados de gran calidad, a veces se utilizan paneles prefabricados montados sobre cimbra para su uso como encofrado perdido. Sin embargo, esta solución es más cara.
  • Prefabricación parcial: En obras de tamaño medio muchas veces no se puede amortizar la instalación de prefabricación de las dovelas, por lo que se recurre a prefabricar únicamente las almas y dejar para un hormigonado “in situ” las losas superior e inferior. Los puentes de Brotonne y de Clichy se construyeron con almas prefabricadas. Ello permite reducir la potencia de los medios de montaje, así como la posibilidad de dar continuidad a las armaduras pasivas de la losa inferior y en buena parte de la superior.
  • Pretensado exterior: Permite eliminar las operaciones de montaje y replanteo de vainas, disminuyen las anchuras de almas y se reducen las pérdidas por rozamiento, todo lo cual mejora la eficiencia del pretensado.

 

Pretensado exterior. Fuente: http://www.bbrpte.com/
Pretensado exterior. Fuente: http://www.bbrpte.com/

 

 

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Puente sobre el río Caroní, primer puente empujado de hormigón pretensado

Puente sobre el río Caroní entre San Félix y Puerto Ordaz, Venezuela. Vanos de 96 m de luz, 1963. Leonhardt & Andrä.

Caroní es uno de los 11 municipios Venezuela ubicado en el extremo norte del mismo. Su capital es Ciudad Guayana, la más importante de toda la región guayanesa al sur del río Orinoco. En el primer puente empujado de hormigón pretensado, el del Caroni entre Puerto Ordaz y San Félix, en Venezuela, con vanos de 94 m, Leonhardt y Baur utilizaron pilas intermedias para el lanzamiento para reducir la luz de lanzamiento. Este procedimiento encarece la construcción, pues no tiene sentido que las pilas provisionales no queden definitivas. El procedimiento de constructivo de puentes mediante lanzamiento es competitivo con luces de hasta 60 – 70 m, siempre que la longitud total del puente sea de, al menos, 600 a 700 m. Fuera de estos rangos, los medios auxiliares no se amortizan suficientemente. Os dejo una película, algo antigua, tomada durante la construcción del puente Dalla Costa sobre el río Caroní, que muestra todo el proceso seguido desde el inicio de la construcción en el año 1962 hasta su finalización en 1964. Tiene interés por su valor histórico.

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Cimbras cuajadas en la construcción de puentes

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Cimbra T-60, ULMA

Las cimbras cuajadas se utilizan cuando no existen obstáculos topográficos, de capacidad portante del terreno, paso de vehículos o corrientes de agua. A diferencia de las cimbras diáfanas, las cuajadas presentan la ventaja de distribuir las cargas de forma más uniforme sobre el terreno. Se emplean habitualmente en alturas de hasta 6 o 7 m, no siendo económicas cuando las alturas de rasante son excesivas, por encima de 20 – 30 m, en cuyo caso se recurren a torres y cuchillos metálicos.

El sistema más habitual de cimbra cuajada es la cimbra tubular, con torres de planta triangular o cuadrangular que cubren toda la planta del tablero. Los perfiles de las barras son tubos huecos, montándose cada torre a partir de módulos planos que se enganchan por las esquinas. Además, para garantizar la estabilidad de la cimbra, se hace necesario colocar barras de arriostramiento longitudinales y transversales para unir las distintas torres.

Cimbra

Para que las torres estén perfectamente aplomadas, se calzan los pies usando para ello tablones, tarugos y cuñas. Las placas de los pies de las torres llevan agujeros para clavarlas a los tablones que sirven de base o a las cuñas. También suelen llevar tornillos de nivelación para ajustar la altura del pie.

En la parte superior de la torre se disponen husillos, que son piezas en U que reciben los largueros de madera del encofrado. Los usillos se conectan a la torre mediante tornillos de nivelación para conseguir la geometría de cotas del tablero. Los husillos bajan para descimbrar la losa una vez se ha realizado el pretensado. No se suelen dar contraflechas debido a que las flechas de peso propio y del pretensado son muy parecidas.

Os dejo un vídeo explicativo que espero os sea útil.

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Apoyos deslizantes para el lanzamiento de puentes

apoyo deslizante
Apoyo deslizante, con almohadillas de neopreno-teflón. Fuente: Óscar Ramos, 2010

El procedimiento de tableros empujados consiste en fabricar o montar el tablero detrás del estribo y después empujarlo deslizándolo sobre las pilas hasta alcanzar su posición definitiva al llegar al otro estribo. Para que ello sea posible, el tablero del puente debe deslizarse en todos los puntos donde se apoya, ya sean pilas, estribos o en el parque de fabricación. Estos apoyos, que en principio eran rodillos, hoy son de neopreno-teflón, que ofrecen poca fricción y una excelente distribución de las cargas verticales. Los apoyos pueden ser provisionales o definitivos. Los primeros se usan sobre apoyos auxiliares o en el parque de fabricación. Sobre las pilas pueden ser también provisionales, en cuyo caso se sustituyen posteriormente, o bien definitivos, con un segundo nivel deslizante que se utiliza durante el lanzamiento del tablero.

Apoyo
Apoyos de neopreno-teflón. Fuente: http://nisee.berkeley.edu/leonhardt/html/incrementally_launched_bridges.html

El apoyo provisional se monta sobre un bloque de hormigón de unos 15-35 cm de espesor, fuertemente armado y nivelado. Sobre el hormigón se dispone una chapa de acero inoxidable pulida y plana sobre la que se disponen las almohadillas de neopreno-teflón, de 10-13 mm de espesor. El teflón se apoya sobre el acero inoxidable y el neopreno contacta con el tablero. Además, el apoyo dispone de una guía lateral, también con almohadillas de neopreno-teflón, que encarrila al tablero en su movimiento longitudinal.

El movimiento del tablero arrastra la almohadilla, que cae por delante y se vuelve a introducir por detrás. Esta operación se realiza manualmente, por lo que se debe prestar especial atención a los posibles errores durante las 2-3 horas que dura la operación del lanzamiento del tramo correspondiente.

El coeficiente de rozamiento entre la almohadilla y el acero inoxidable, en el momento del arranque, puede llegar al 5% en tiempo frío, pero una vez en movimiento, baja al 3-3,5%. Para reducir la carga horizontal sobre el apoyo, se reducen al máximo las almohadillas, pues el rozamiento se reduce con la presión. Para soportar la carga vertical, se zuncha intensamente el neopreno para soportar unos 20 MPa. Además, conviene lubricar las almohadillas con silicona y mantenerlas limpias, con lo que se puede bajar el rozamiento al 1-2%.

Los apoyos provisionales se sustituyen por los definitivos subiendo el tablero con gatos. Esto mismo se debe hacer incluso cuando los apoyos deslizantes son definitivos, puesto que se debe bloquear el nivel de deslizamiento usado durante el lanzamiento, quitar las almohadillas y soldar la parte superior del apoyo a chapas metálicas dejadas en el tablero.

Os dejo a continuación un vídeo donde se observa el lanzamiento del tablero.

Construcción de puentes en arco por abatimiento de semiarcos

Imagen1El procedimiento consiste en construir los arcos verticalmente y luego abatirlos con ayuda de tirantes y cabrestantes con un giro alrededor de su extremo inferior. El giro se ve favorecido por el peso del semiarco, aunque al principio es necesario desplazarlo con unos cilindros hidráulicos horizontales. Luego las retenidas deben controlar el descenso, donde los semiarcos presentan esfuerzos flectores crecientes con su proyección horizontal. Este tipo de montaje supone importantes retenidas y rótulas de giro que pueden ser incompatibles con grandes luces, por lo que para estos casos se usan arcos metálicos, que incluso pueden quedar embebidos como autocimbras.

Cuando se construyen arcos de hormigón, los encofrados se sitúan casi en vertical, lo que permite un ahorro considerable en cimbras. Lo habitual es construir dos semiarcos que se cierran en clave al alcanzar su posición definitiva, pero también se puede abatir una longitud inferior al semiarco y montar el tramo central mediante un izado vertical.

Puente Paul Sauer o del río Storms. Puente de arco de hormigón, de 100 m de luz, en el Cabo Oriental de Sudáfrica. Inaugurado en 1955, la diseño Riccardo Morandi.

Este procedimiento constructivo lo utilizó Riccardo Morandi para arcos de hasta 100 m, como por ejemplo en el puente Paul Sauer, sobre el río Storms, en Sudáfrica. Otro puente reseñable con esta tecnología es el de Argentobel, en Alemania con 145 m de luz. En España destaca el puente Arcos de Alconétar, en el embalse de Alcántara, formado por dos estructuras gemelas de 400 m de longitud, cuyo vano principal es un arco metálico de tablero superior, de 220 m de luz. A fecha de hoy, se trata del arco de mayor luz construido en el mundo con este procedimiento.

Abatimiento de los semiarcos en el puente Arcos de Alconétar. Viaducto doble, con arco metálico de 220 m, en la autovía de La Plata (Cáceres). Inaugurado en 2006.

 

Os paso a continuación un vídeo de voxelestudios sobre la construcción del puente Arcos de Alconetar. Espero que os guste.

También podemos ver un vídeo de OHL sobre este mismo puente.

 

Construcción de puentes arco con autocimbras

Viaducto de Martín Gil, construcción: 1934-1942

Los puentes arco pueden construirse mediante cimbras, sin embargo si estas cimbras no se reutilizan, puede optarse por dejarlas en el propio arco formando parte de su armadura. De esta forma la cimbra pasa de ser un medio auxiliar a ser parte de la estructura definitiva. Esta idea de usar una armadura rígida portante la empezó a utilizar el ingeniero austriaco Joseph Melan a finales del XIX, con la cual se podían construir bóvedas de hormigón sin necesidad de cimbras. Los encofrados se colgaban de una estructura metálica, portante durante el hormigonado, que quedaba finalmente embebida en el hormigón.

Este procedimiento lo utilizó en 1939 Eduardo Torroja en el viaducto de ferrocarril Martín Gil. Este puente se empezó a construir suspendiendo una cimbra de madera mediante cables, pero aparecieron muchos inconvenientes durante el hormigonado. Además, el desgraciado accidente ocurrido en el puente de Sandö en Suecia en agosto de ese mismo año, donde la cimbra para un arco de 264 m, que iba a ser el arco de hormigón más grande del mundo, costó la vida a 18 personas. La solución fue ejecutar una autocimbra metálica con sus componentes unidos mediante soldadura. Destaca el hormigonado como un proceso muy concienzudo para no entrar en situaciones de carga no admisibles por la propia cimbra. Se empezó por la parte inferior del cajón, después las almas y por último la parte superior. Este arco, de 202 m constituyó en su tiempo récord mundial de luz, hasta 1943, en que se acabó el puente de Sandö.

Un procedimiento constructivo más complejo se ejecutó en el puente de Echelsbacher, en el cual la autocimbra era total. En vez de construir sólo la autocimbra del arco, se realizó en la totalidad del puente para crear una estructura metálica triangulada que pudiese avanzar por voladizos sucesivos. El vertido de hormigón en el arco se realizó cuidadosamente para evitar situaciones inadmisibles para la cimbra. Se subdividió la sección transversal en fases, completando en cada una de ellas el hormigonado.

Puente de Echelsbacher

Os dejo a continuación un artículo sobre el sistema Melan y la invención paralela de José Eugenio Ribera.

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Efecto del voladizo en la construcción de puentes atirantados

Puente Ingeniero Carlos Fernández Casado, en embalse de Barrios de Luna (León)
Puente Ingeniero Carlos Fernández Casado, en embalse de Barrios de Luna (León). Fotografía de V. Yepes.

La construcción del tablero de un puente atirantado puede realizarse mediante voladizos parciales que pueden construirse en obra o bien pueden ser prefabricados. El procedimiento constructivo es similar al de la construcción de tableros de puentes tipo viga, con la diferencia de que aquí se van montando los tirantes para fijar las estructuras parciales, que se van montando con grúas o similar.

En este tipo de procedimiento constructivo es necesario considerar que la estructura parcial formada por el voladizo en el frente de avance provoca en numerosas ocasiones esfuerzos sobre el tablero mayores de los que va a tener cuando el puente esté en servicio. Es por ello que estos voladizos se reducen en su dimensión lo máximo posible, aumentando con ello el número de tirantes necesarios.

Atirantado momentos 1
Ley de flectores antes de tesar la dovela

La diferencia de esfuerzos entre la estructura parcial y la definitiva son, entre otros, los siguientes:

  1. La estructura final tiene presenta un tablero continuo, que muestra un comportamiento estructural diferente al caso de tener los extremos en voladizo durante la construcción.
  2. El tablero definitivo se encuentra en un estado de compresión axil importante, superior al tablero en proceso de construcción, a excepción del centro del vano principal y de los extremos de los vanos de compensación, el tablero presenta un estado.
  3. El voladizo en construcción debe soportar al siguiente elemento hasta que se monta, además del peso de los medios auxiliares si el montaje se realiza desde la parte ya construida.
  4. El momento flector del voladizo se prolonga más allá de la ménsula libre, con un máximo que se sitúa varios tirantes atrás, dependiendo del peso del tablero, de los medios auxiliares y de las rigideces del dintel y tirantes.

 

Para solucionar este efecto contraproducente del voladizo se pueden aplicar varios procedimientos constructivos:

  1. Se puede reforzar el voladizo mediante un pretensado adicional para reducir los momentos máximos del voladizo. Este exceso de carga debe retirarse en cuanto pase el efecto del voladizo para evitar sobreesfuerzos en la estructura. Este proceso de tesado y destesado puede complicar la construcción, por lo que a veces se sobredimensionan los materiales en el dintel o se sobretesan los tirantes, tal y como se hizo en el puente de Barrios de Luna.
  2. Se puede reducir peso en el voladizo si se construye una parte del tablero. Una vez se atiranta, y tras un desfase en el ciclo de avance, se completa su construcción. Este método se ha utilizado mucho, por ejemplo en el puente de Oberkassel, en Düsseldorf, que presenta tirantes muy separados. Aquí se avanzó sólo con la célula central del cajón, procedimiento que también se utilizó en el puente Flehe, cerca de la misma ciudad. En el puente de Annancis (Canadá) se avanzaba con vigas metálicas laterales y transversales, hormigonándose después la losa.
  3. Otra posibilidad es cimbrar el voladizo hasta que se atirante. Se puede atirantar provisionalmente el carro de avance hasta el hormigonado, tal y como se hizo en el puente sobre el río Waal (Holanda). Otra posibilidad menos costosa y fácil es la cimbra convencional que obliga a inmovilizar el extremo de la zona construida, lo que obliga a soportar una gran parte del peso de la dovela anterior. Esta solución se ha empleado en el puente de Sama.
  4. Cuando la distancia entre tirantes es grande, se pueden colocar tirantes provisionales desde la torre definitiva o mediante torres auxiliares. Las torres provisionales se apoyan en el mismo lugar de los anclajes definitivos anteriormente montados para evitar flexiones adicionales. El atirantamiento se traslada sucesivamente según avanza la construcción. Este procedimiento se usó en el puente Kniebrucke en Düsseldorf.
  5. Otra posibilidad que se aleja del procedimiento de construcción por voladizos sucesivos consiste en disponer apoyos provisionales bajo el tablero, o bien un único apoyo en el extremo del voladizo que se eliminará al colocar los tirantes. Así se construyó el puente de Bratislava sobre el Danubio.
Puente de Oberkassel sobre el Rhin, en Düsseldorf. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oberkassel_Bruecke.jpg

 

Puente Flehe sobre el Rhin, cerca de Düsseldorf. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fleher_Br%C3%BCcke-2.jpg

 

Puente Kniebrucke en Düsseldorf sobre el Rhin. Fuente: https://de.wikipedia.org/wiki/Rheinkniebr%C3%BCcke#/media/File:Duesseldorf_1915.JPG

 

Puente de Bratislava, sobre el Danubio. Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Cable-stayed_bridge#/media/File:Novy_Most_d.JPG

Referencias:

FERNÁNDEZ-TROYANO, L. (1999). Tierra sobre el agua. Visión histórica universal de los puentes. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Colección de Ciencias, Humanidades e Ingeniería nº 55, Madrid.

 

 

El concepto de puente

Puente Ingeniero Carlos Fernández Casado, en embalse de Barrios de Luna (León). Fotografía de V. Yepes.

Los puentes pueden considerarse como una de las construcciones cuyos orígenes se pierden en los albores del tiempo. Son las obras civiles por excelencia. Sin embargo, son mucho más que simples construcciones, en palabras de Juan José Arenas, “un puente ha sido, y es, sin género de dudas, un elemento indispensable para el desarrollo de la civilización y de la cultura”.

Los puentes a lo largo de la historia han identificado paisajes y se han erigido en articuladores del espacio. Javier Manterola  recuerda que “el puente es un elemento del camino”, por tanto, no puede entenderse sin él, pero tampoco sin el obstáculo. Es el paradigma del esfuerzo de la razón en su pretensión de superar todo tipo de dificultad y contratiempo. Para Miguel Aguilólos puentes … expresan la superación de un obstáculo, de una incomunicación, de una situación comprometida”. Es el afán sempiterno por vencer los límites que amordazan la voluntad humana.

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Pinceladas acerca de la ingeniería en la antigua China

Quin Shi Huang, fundador de la Dínastia Quin.

Si de ingeniería antigua hablamos, mención especial merecen los desarrollos alcanzados en la Antigua China, que en el siglo I ya tenía 57 millones de habitantes, superando a Roma, aunque ambos imperios apenas llegaran a conocerse entre ellos. Por tanto, hoy vamos a dar dos pinceladas a las realizaciones de la milenaria China, sabiendo que dejamos muchísima información por el camino. Los cuatro grandes inventos chinos fueron el papel, la brújula, la pólvora y la imprenta.

Una de las más grandes realizaciones de todos los tiempos fue la Gran Muralla China, con más de 4 km de muro en total. Esta muralla tiene unos 10 m de altura, 8 m de espesor en la base y 5 m en la parte superior, por donde discurre un camino pavimentado. Su construcción requirió un elevado número de personas. Los bloques de piedra se traían con rodillos a las zonas previamente excavadas para su colocación. Su construcción se complicaba en zonas con fuertes vientos o en otras de clima desértico. Los materiales empleados fueron los disponibles en cada sitio: piedra caliza, granito o ladrillo cocido. Especialmente eficaz a los impactos de armas de asedio fueron las tapias de arcilla y arena cubiertas con varias paredes de ladrillo.

Para hacerse una idea, en el reinado de Qin Shi Huang, que empezó a gobernar en el 221 a.C., se construyeron caminos y vías. Nada menos que 6.800 km durante sus 20 años de imperio, lo cual es muy llamativo si tenemos en cuenta que los romanos, 300 años después, tuvieron un total de 5.984 km, casi mil menos. Continue reading “Pinceladas acerca de la ingeniería en la antigua China”