estado del arte de los puentes en concreto reforzado

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ESTADO DEL ARTE DE LOS PUENTES EN CONCRETO REFORZADO
William Ospino Díazgranados
Ingeniero Civil
III semestre, Maestría Construcción de Obras Viales
RESUMEN
Los puentes de concreto reforzado son los puentes más utilizados en la construcción de infraestructura vial urbana y rural,
estos se clasifican en 3 tipos, de losa maciza, de losa y viga, y puentes continuos, su diseño está basado en el análisis de
los momentos, como una estructura de concreto simplemente apoyada, por lo que se evalúan las cargas vivas y muertas
que actúan sobre la superestructura, y luego se evalúan las cargas sobre la subestructura cuyo diseño está dominado por el
empuje del suelo sobre los estribos, más que por la reacción de los apoyos. La construcción de los puentes en concreto se
divide en dos grupos de metodologías, Construcción “in situ” y elementos prefabricados, la decisión de elegir un método
o el otro, depende de variables como el tiempo, y los vanos de los puentes, por encima de las cargas solicitadas.
PALABRAS CLAVES: Puentes, Concreto reforzado, Prefabricados, Método AASHTO LRFD, Apoyos
ABSTRACT
Reinforced concrete bridges are bridges used in the construction of urban and rural road infrastructure, these are
classified into 3 types, solid plate, plate and beam, and continuous bridges, the design is based on the analysis of the
moments , like a concrete structure simply supported so evaluates the live and dead loads acting on the superstructure,
and then evaluated on the substructure loads whose design is dominated by the earth pressure on the abutments, but by
the reaction of the supports. The construction of bridges in particular is divided into two groups methodologies
Construction "in situ" and prefabricated, the decision of choosing one method or the other, depending on variables such
as time, and the openings of the bridges, above of applied loads.
KEYWORDS: Bridges, Reinforced Concrete, Prefabricated, AASHTO LRFD, Support.
1. INTRODUCCIÓN
Con el objeto de presentar una revisión de la situación
actual en materia de diseño y construcción de puentes en
concreto reforzado se han consultado fuentes
bibliográficas académicas y también informe de
proyectos relacionados con el tema. Los puentes en
concreto reforzado son de los más populares
en los proyectos de infraestructura vial, no
solo por su facilidad en el diseño, sino
también por las bondades que se obtienen a
trabajar con un material tan estudiado y
conocido, lo sugiere que uso no se debe
tanto al diseño si no a su construcción.
Los puentes en concreto reforzado son de montaje rápido,
ya que admiten en muchas ocasiones elementos
prefabricados (Fig. 1), son resistentes, permiten superar
luces mayores que los puentes de piedra, aunque menores
que los de hierro, y tienen unos gastos de mantenimiento
muy escasos, ya que son muy resistentes a la acción de
los agentes atmosféricos.
Los puentes actualmente, son prácticamente
indispensables en cualquier proyecto
interesante de infraestructura vial, no solo
por su función de separar flujos continuos,
sino también por su belleza, y los puentes
de concreto reforzado no se han quedado
atrás tampoco en el aspecto arquitectónico.
Fig. 1. Partes de un Puente en Concreto
2. PUENTES EN CONCRETO REFORZADO
Fuente: Curso de Puentes en Concreto, Vallecilla Carlos,
Bogotá 2004.
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Los tenemos como puentes en losa maciza que no
sobrepasan los 8m de longitud, y o de losa y viga que
pueden llegar hasta los 28 m.
Aspectos del Diseño:
Para el diseño de cualquier puente es necesario conocer
los momentos flexionantes, las deflexiones máximas, las
reacciones en los apoyos y las características del suelo,
pero todo esto se calcula con respecto a las cargas, y en el
diseño de puentes la carga muerta la determina la
geometría de las secciones y los materiales, y esta será la
única cosa que nos variará, puesto que la cargas vivas en
todos los tipos de puentes, dependerán del vehículo de
diseño, que para el caso de Colombia es el C40-95 (Fig.
2).
Maestría en Construcción de Obras Viales, Universidad Santo Tomas
El Código Colombiano incluye los efectos dinámicos de
las cargas móviles sobre los puentes como una fracción
de la carga viva de acuerdo con la siguiente ecuación (1)
(1)
Por otro lado, están las fuerzas longitudinales que actúan
en dirección longitudinal al puente, dependen del tráfico,
debido que son generadas por el frenado del mismo, así
también están las fuerzas centrifugas generada por el
movimiento de la carga viva, obedeciendo a la siguiente
ecuación (2).
(2)
Por último contemplamos las cargas de viento, que es una
carga lateral sobre los puentes, cuya magnitud depende
de factores como la velocidad del viento, su dirección y
la geometría del puente, y estas se aplican uniformemente
sobre toda la superficie expuesta del puente.
Métodos de Diseño
Los métodos de diseño de puentes de concreto, fuera de
Colombia, están basados en el análisis de los momentos
generados por las cargas que actúan sobre el puente,
recomendando los refuerzos requeridos para soportar los
momentos.
Fig. 2. Vehículo de diseño.
Fuente: Código Colombiano de diseño sísmico de puentes.
En ese orden de idea, estamos hablando que la
característica que nos determinará el diseño de un puente
es el material con el que está hecho, y en este caso
estamos hablando de puentes en concreto reforzados.
Entendemos que entonces tendremos:
Líneas de Carga, Momentos y esfuerzos cortantes de
diseño (Fig. 3).
Método Standard AASHTO: método de diseño por
esfuerzos simples y el método por factores de carga.
Basado en la norma AASHTO Standard Specifications
for Highway Bridges, 16º edición, la cual establece dos
métodos de diseño de puentes, el método de tensiones
admisibles (ASD: Allowable Stress Design) y el método
por factores de carga (LFD: Load Factor Design) o
método de la rotura.
Para las tensiones admisibles, se considera un concreto
de resistencia f’c= 25 MPa, y un acero de resistencia Fy=
420 MPa, parte de la condición que el concreto no resiste
a tracción, el acero resiste toda la tensión.
Método AASHTO LRFD: “Método de Diseño por
Factores de Carga y Resistencia”, la cual toma en cuenta
la resistencia media estadística, las cargas medias
estadísticas, la dispersión de ambos por medio de la
desviación estándar y el coeficiente de variación, también
considera los Estados Límites de: resistencia, fatiga,
fractura, servicibilidad, constructibilidad y la existencia
de eventos extremos.
Fig. 3. Líneas de Carga para camión C40-95.
Fuente: Código Colombiano de diseño sísmico de puentes.
Otro aspecto importante que introdujo esta norma es la
forma de combinar las cargas, ya que ésta considera
algunos factores que van a cambiar el margen de
seguridad del puente, dando una mayor confiabilidad a la
estructura.
Evalúa estados límites como: Límite de Servicio (cargas
de servicio), Límite de fatiga y fractura (daños), Limite
18 de Mayo de 2013.
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de resistencia (materiales), Eventos extremos (sismos,
inundaciones, etc.)
Refuerzo de Acero
Empíricamente sabemos que la losa de concreto de un
puente tendrá 4 líneas de refuerzo, 2 ligados al refuerzo
principal, y otras 2 ligadas al refuerzo por temperatura, la
cuantía de acero en la losa estará ligada principalmente a
su geometría, para ambos casos, más que para los
esfuerzos generados, salvo en el voladizo de la losa, el
cual se diseña de por medio de otro análisis, donde
obtendremos un refuerzo para las tensiones generadas por
el momento de voladizo.
Se puede determinar con la ecuación 8, como cuantía
mínima
ρ min= 14/Fy , Min 0,0014 (8)
Apoyos del puente
Los apoyos de puentes juegan un papel importante en el
diseño de puentes. Los apoyos son diseñados para
transmitir la carga de la superestructura a la
subestructura, permitiendo a movimientos específicos y
rotación de la superestructura causada por el viento o
efectos sísmicos, variaciones de temperaturas,
desviaciones de cubierta, hundiendo de cualquiera de los
apoyos, el elástico que se acorta debido a se arrastra, el
encogimiento o la preacentuación, etc.
En cuanto a las vigas, en caso de puentes de losa y viga,
el refuerzo que tendrá necesariamente 2 líneas de
refuerzo principal, uno para la flexión y otro para la
tensión, ambas cuantías se obtienen de la envolvente de
momentos.
Tabla 1. Tipología de Apoyos
Tipo de
Material
Apoyo
Se halla la cuantía que soportan los esfuerzos (ecuación
3), utilizando la resistencia a la compresión, y la
resistencia a la tensión del acero, utilizando el 75% de la
cuantía por esfuerzo como máximo, y la cuantía mínima
como rango inferior.
Neopreno
Zunchado
Elastómeros
Caja
Elastómeros
Deslizantes
Elastómeros
(Teflón)
Neopreno
Zunchado
Anclado
Elastómeros
con Pernos
Metálicos
Fijos
Acero
Metálicos
Móviles
Acero
Luego se halla la cuantía necesaria por la geometría del
puente, hallando el área de acero con la ecuación 4, y
comprobando la cuantía con la ecuación 5, para luego
comprobar que esté dentro del rango de la cuantía por
esfuerzos.
Acero de Refuerzo Principal:
(3)
(4)
(5)
Acero de refuerzo por distribución: este acero debe
colocarse en el lecho inferior de todas las losas,
transversalmente a la dirección del refuerzo principal,
para lograr una distribución lateral de las cargas vivas
concentradas, la cantidad será un porcentaje del refuerzo
principal requerido para el momento positivo, se calcula:
Refuerzo P/pal ║ al tránsito, ecuación 6.
%= 55/√s , Max 50%, donde s = longitud de la luz. (6)
Refuerzo P/pal ┴ al tránsito, con la ecuación 7.
%= 121/√s , Max 67% (7)
Refuerzo por temperatura:
0.0018 para un Fy de 4200 Kg/cm2
Esquema
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Rotulas de
Concreto
Concreto
Péndulos
de
Concreto
Concreto
Fuente: Nota técnica sobre aparatos de apoyo para puentes de
carretera, Instrucciones de Construcción, España, 1995.
Estribos y Pilas:
La subestructura de los puentes está compuesta de los
estribos y pilas, la cimentación y los aparatos de apoyo.
La subestructura soporta las cargas originadas en la
superestructura y las transmite al estrato resistente.
Los estribos se trata de muros de contención que soportan
el relleno del acceso y deben tener las dimensiones
suficientes como para evitar la erosión y que se
despliegue el relleno; éstos deben protegerse contra el
volteo, deslizamiento, desplazamientos laterales,
fracturas del subsuelo y la descarga de los pilotes cuando
estos existan, tal como cualquier otro muro de
contención.
El otro elemento las pilas son prácticamente columnas
que se construyen cuando el obstáculo a salvar es lo
suficientemente ancho como para ser salvado con una
sola luz del puente, por lo que se requieren apoyos
intermedios, que unirán los vanos que se produzcan.
Estos suelen ser de diferentes tipos: tipo caballete, tipo
columna, tipo muro macizo, tipo eje simple, y tipo
pórtico.
Aspectos de la Construcción:
En cuanto a la construcción de los puentes de concretos
tenemos dos grandes metodologías, los procesos In situ, y
los prefabricados. Según Juan Carlos Ibagué, para las
tipologías de puentes losa maciza, y puentes de losa y
vigas, se acostumbra a realizar procesos constructivos “in
situ “.
El proceso constructivo se pude resumir en los siguientes
pasos; el montaje de los elementos de apoyo, la
construcción del encofrado, el armado del acero de
refuerzo, la función de los elementos del puente;
cimentación, estribos, superestructura, desencofrado,
instalación de elementos menores tales tomo barandas y
acabados.
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El encofrado se retira una vez el concreto haya adquirido
la resistencia requerida que se toma de 28 días a no ser de
que se use un acelerante para el fraguado del concreto,
durante el proceso de fraguado es necesario mantener el
concreto hidratado para evitar que se presente retracción
en el concreto, esto se conoce como curado, la
hidratación del concreto se realiza aplicando agua
directamente o telas de fique mojado aunque existen
muchas otras técnicas.
Durante la construcción de la formaleta las vigas de debe
realizar la contra flecha en la formaleta de tal forma que
al fundir el concreto es te tenga la curvatura deseada.
Durante la construcción se debe garantizar se cumpla con
los recubrimientos especificados protegiendo así que el
acero de refuerzo no quede expuesto a condiciones
ambientales que lo afecten.
Equipos de Construcción.
Durante la construcción de puentes de concreto in situ, es
absolutamente necesario una planta de concreto, o
mezcladores de concreto hidráulico, que suministre la
mezcla necesaria para la construcción de los estribos,
pilas, vigas, tablero y andenes.
Así mismo, otra planta que suministre la mezcla de
concreto asfaltico necesaria para la carpeta de rodamiento
del tablero, que también requerirá de los equipos
requeridos para la extendida y compactación del concreto
asfaltico.
Supliendo estas necesidades tenemos entonces pasamos a
los equipos necesarios para la construcción de los
cimientos y los estribos, en un concreto de losa maciza es
posible que la cimentación del puente sea solo
superficial, por lo que solo necesitaremos equipos de
excavación mecánica simple, como retroexcavadoras y
equipos de transporte de material, pero en caso de
cimentaciones profundas, ya sean pilotes o caissons, estas
excavaciones profundas, requerirán del uso de
piloteadoras, dragalinas, perforadoras o según indique el
diseño de la cimentación.
Una vez se termine la construcción de la cimentación, se
pasara la construcción de los estribos o de las pilas que se
necesiten, Para el caso de los estribos el proceso se
realizará como si estuviéramos construyendo muros de
contención, podríamos tener estribos de puentes en
concreto ciclópeo, concreto reforzado y tierra armada.
El concreto ciclópeo requerirá de equipos de cargue para
la movilización de los bloques de roca, para el concreto
reforzado llegaremos a recurrir a equipos de izaje para la
elevación de la malla de refuerzo, ya en el caso de tierra
armada, los equipos de compactación serán los que hagan
falta.
Maestría en Construcción de Obras Viales, Universidad Santo Tomas
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En cuanto a las vigas y el tablero, como se había
mencionado antes, dependerá de la metodología, ya sea
in situ, o prefabricados. Cuando se trate de construcción
in situ, lo principal será la formaleta y los equipos de
vaciado y vibrado del concreto. Si estamos hablando de
prefabricados, será necesario el uso de equipos de izaje,
cabe destacar que uso de elementos prefabricados debe
incluir en su diseño la situación de izaje, por lo que los
elementos tendrán que resistir tensiones iniciales en
condición especial.
Prefabricados
Los prefabricados tienen dos funciones o ventajas frente
a la construcción in situ, reduce los tiempos de
construcción, y mejora la calidad de la obra, tanto en
acabado como en materiales.
Para la superestructura estamos hablando de la
prefabricación de las vigas, en el siguiente grafico (Fig.
4) podemos ver la relación de las secciones típicas
conocidas y su capacidad para salvar obstáculos (los
vanos).
En los terraplenes de acceso al puente o en los cortes que
se realizan en los alrededores, se colocan aleros en los
costados de los estribos. Hay varias alternativas a usar en
función de la altura del muro de contención, del empuje
de tierra y sobrecarga a que vaya estar sometido. Para
muros hasta de 6m, se pueden usar losas extruidas con
espesores hasta de 30 cm y para muros de mayor altura o
con carga axial fuerte se utilizan secciones doble T.
Cuando un puente tiene más de un claro, los apoyos
intermedios se pueden construir con columnas huecas
prefabricadas de concreto reforzado con o sin ménsulas
para recibir las vigas portantes sobre las que descansarán
las vigas longitudinales
Las juntas se localizan en medio de dos tableros de
puente. Sus funciones son:
• Proveer una transición suave entre los módulos del
puente que forman la superficie de rodamiento
• Evitar la filtración de agua y otras substancias
químicas que oxidan y corroen los elementos de la
subestructura que están por debajo de la superficie
de rodamiento
• Permiten el desplazamiento longitudinal de la
estructura
Al igual que los apoyos, existen muchos tipos de juntas
pueden ser de materiales elastoméricos o ensambles de
un mecanismo metálico integrado con otros materiales
plásticos.
Fig. 4. Secciones recomendadas para distintos vanos.
Fuente: Jorge Martínez, Diseño de puentes con elementos
prefabricados y presforzados.
Las losas suelen diseñarse en forma de fichas que encajan
unas con otras para cubrir el área del tablero, no son muy
recomendables en los puentes vehiculares, debido a la
falta de unión de los elementos que puede generar
vibraciones mayores, pero son una excelente opción para
los puentes peatonales.
En el caso de la Subestructura, el poder construir estribos
y pilas en elementos prefabricados especialmente para los
puentes urbanos, es una gran ventaja, puesto que esto
acelera enormemente la construcción del puente, el
ahorro de tiempo es un factor importante para el
beneficio de los usuarios que no perderán tiempos de
desplazamientos en las ciudades, por la interrupción de
las vías de comunicación.
La construcción de los estribos puede resolverse
mediante la utilización de elementos prefabricados de
sección doble T colocados verticalmente y diseñados
para resistir tanto el empuje horizontal de tierra, como las
fuerzas sísmicas y las cargas verticales vivas y muertas.
Patologías:
Todas las estructuras de concreto sufrirán de daños
directamente relacionados con el tiempo, el
envejecimiento de las estructuras es inevitable, aunque en
muchos casos resulta un proceso acelerado debido a
errores en el diseño o la construcción. Los puentes de
concreto reforzado no están exentos de dichos procesos,
y estos se reflejan en los daños de la estructura, los daños
se pueden agrupar en la siguiente clasificación.
Daños por diseño1: (Fisuras, aplastamiento local,
asentamientos, volcamiento vibración excesiva).
Daños por construcción: (Hormigueros, segregación,
fisuración por retracción, construcción inadecuada de
juntas frías, recubrimiento inadecuado, exposición de
acero de refuerzo).
Daños durante el funcionamiento: (Infiltración,
carbonatación, corrosión de la armadura, contaminación
del concreto, fallas por impacto, socavación).
1 Instituto Nacional De Vías “INVIAS” , MANUAL PARA LA
INSPECCIÓN DE PUENTES, 2006
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Nuevas Tecnologías:
El desarrollo de nuevas tecnologías para puentes de
concreto reforzado, están estrechamente ligadas a las
tecnología de concreto, puesto que son estructuras de
concreto convencional, las metodología de construcción
no han evolucionado mucho, quizá los equipos de
prefabricado e izado si han avanzado, para evitar perder
tiempo esperando el fraguado de la mezcla en obra, y
poner en funcionamiento el puente lo antes posible, por
eso la construcción de puentes peatonales con el método
de losa y viga, se hace de manera casi instantánea, ya no
solo las vigas se pueden prefabricar, sino también las
pilas y el tablero.
Los concretos de alta resistencia, son también otro
avance significativo en las tecnologías para puentes,
puesto que concretos más resistentes, permiten 2 mejoras,
lo primero luces mayores, y lo segundo rápida puesta en
operación la obra, puesto que no habrá que esperar a que
desarrolle toda su capacidad de soporte para que empiece
a trabajar, si podemos disparar la resistencia inicial del
concreto, durante los primeros días, o hacerlo trabajar
con el 75% de su capacidad.
3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los puentes tipo losa maciza tienen las siguientes
ventajas: Sencillez y facilidad de construcción
(encofrados, colocación del refuerzo y vaciado de
concreto). Baja presión en los apoyos, bajos esfuerzos
cortantes, además de buena distribución de las cargas,
con bajas vibraciones. Pero tienen desventajas como, su
peso elevado por metro cuadrado, además de que su
principal esfuerzo es auto-sostenerse, y su poca longitud
libre para salvar los obstáculos.
Para los puentes de losa y viga las ventajas que se tienen
son, su rigidez que reduce las vibraciones, al ser de
concreto requieren de poco mantenimiento, y son fáciles
de construir. Su principal desventaja es que requieren de
28 días para el desencofre, puesto que es necesario que el
concreto desarrollo el 100% de su capacidad antes de
entrar en servicio.
En los puentes continuos se reduce la magnitud del
momento flexionante positivo al centro del claro, por lo
que se pueden obtener claros más largos con el mismo
peralte de las trabes. Las principales ventajas de los
puentes continuos son:
• Menor peralte que los puentes simplemente
apoyados
• Se requiere un menor número de apoyos
• Menos juntas constructivas, con la ventaja evidente
de lograr una superficie de rodamiento sin
interrupciones
• La deflexión y la vibración son menores
Al mismo tiempo, los puentes continuos tienen las
siguientes desventajas:
18 de Mayo de 2013.
•
•
•
Los asentamientos diferenciales pueden causar
efectos importantes en toda la estructura, por lo que
su uso no se recomienda en estructuras sobre suelos
blandos
La colocación del refuerzo es más complicada
El análisis y diseño son más complejos
Los elementos prefabricados son el principal avance
tecnológico en la construcción y diseño de los puentes de
concreto reforzado, no solo por los ahorros en los tiempo
de construcción, sino también por simplicidad en el
diseño, mayores respuestas a las solicitudes, como luces
mayores, acabados superiores, materiales más resistentes,
y mejor respuesta ante los sismos, entre las inquietudes
que merecen más estudio con respecto a este sistema, es
su respuesta a fenómenos inesperados como
inundaciones, y una comparación del deterioro entre el in
situ y el prefabricado.
4. BIBLIOGRAFÍA
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diseño según norma AASHTO STANDARD
(método LSD) y norma AASHTO LRFD, Tesis de
Grado, Universidad Astral de Chile, Valdivia-Chile,
2008.
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OBRAS
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1995.
[3] UNIVERSIDAD
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Y
TECNOLOGICA
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COLOMBIA,
Diseño
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[4] MARTINEZ, Pedro, MANZANAREZ, José, Diseño
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Monografía, Nicaragua, 2008.
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2006
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Transporte, 2006.
[8] MARTINEZ, Jorge, Diseño de puentes con
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Publicaciones, ANIPPAC, México, 2013.