Puentes y Viaductos

1. INTRODUCCIÓN

La gran irregularidad topográfica de nuestro país, y el rápido desarrollo de los centros urbanos han determinado que las vías de comunicación requieran con gran frecuencia de la construcción de puentes y viaductos.

Por lo general, el término puente se utiliza para describir a las estructuras viales, con trazado por encima de la superficie, que permiten vencer obstáculos naturales como ríos, quebradas, hondonadas, canales, entrantes de mar, estrechos de mar, lagos, etc.

Por su parte, el término viaducto está generalmente reservado para el caso en que esas estructuras viales se construyan por necesidades urbanas o industriales (como los pasos elevados dentro de las ciudades o de los complejos industriales), o para evitar el cruce con otras vías de comunicación (como los intercambiadores de tránsito en las autopistas).

2. TIPOS DE PUENTES

Tradicionalmente en el Ecuador se han diseñado y construido puentes de mampostería de piedra, de madera, de hormigón armado, de acero, de hormigón preesforzado y de estructura mixta. Las luces que se pueden vencer con este tipo de puentes van de pequeñas a medianas.

2.1 PUENTES MAMPOSTERÍA DE PIEDRA EN ARCO:

Son los puentes de mayor antigüedad en el mundo. En Europa se pueden encontrar puentes de mampostería de piedra en arco (como parte de acueductos romanos), construidos hace más de 2000 años. Aprovechan las características beneficiosas de la geometría en arco (trabajan fundamentalmente a compresión y limitan o eliminan totalmente el efecto de la flexión), y pueden ser utilizados para vencer luces de hasta 10 m. Algunas de las vías más antiguas del país, cuyo trazado todavía se mantiene como alterno, aún conservan viejos puentes de piedra en arco. Prácticamente ya no se construyen más puentes de este tipo pues no existe la mano de obra calificada para este tipo de obras.

2.2 PUENTES DE MADERA:

Los puentes de madera se han utilizado eficientemente, con luces de hasta 20 m, en caminos de poca circulación, con vehículos livianos. La gran ventaja de este tipo de puentes es la reducción de costos al utilizar materiales y mano de obra de la misma zona.

La mayor parte de puentes de madera construidos en el país son pequeñas estructuras rústicas en caminos de segundo, tercer orden y vecinales. El principal problema de los puentes de madera es la necesidad de proporcionarles un adecuado mantenimiento para tener un tiempo de vida aceptable, caso contrario, en lugar de constituir una solución se convierten en un riesgo.

2.3 PUENTES DE HORMIGÓN ARMADO:

Los puentes de hormigón armado, en carreteras de primero y segundo orden, han tenido éxito en el Ecuador con luces de hasta 25 m. Luces superiores son inconvenientes para este tipo de puentes por el incremento desmedido de su peso y de su costo. La gran experiencia que se tiene con el manejo del hormigón armado, que se traduce en mano de obra y dirección técnica relativamente calificadas, y también en disponibilidad de los materiales, ha permitido su construcción en todas las regiones del país.

El principal problema constructivo constituyen los encofrados que, en su configuración tradicional, solamente pueden ser utilizados en cauces de ríos poco profundos y poco caudalosos. En ríos de cauces profundos se suele construir un encofrado tipo arco para no provocar un incremento excesivo de costos de construcción (se construye un puente provisional de madera que sirve de encofrado para el puente definitivo de hormigón).

2.4 PUENTES TRADICIONALES DE HORMIGÓN PREESFORZADO:

La tecnología del hormigón preesforzado (pretensado y postensado) tradicional permitió superar parcialmente las limitaciones de los puentes de hormigón armado, llegándose a implementar soluciones viables en puentes de hasta 45 m de luz. Generalmente se han utilizado dos variantes constructivas de esta tecnología consistentes en la fundición y tensado (tesado) in situ, o la fundición y tensado previo, y el lanzamiento posterior de las vigas.

La reducción en el peso de la estructura es el efecto más importante en los puentes de hormigón preesforzado. Una viga de puente de 20 m. de longitud (con 4 vigas para 2 carriles), que en hormigón armado requeriría una altura aproximada de 2.00 m. y un ancho de 0.50 m., en hormigón postensado podría tener 1.40 m. de altura, y un ancho variable entre 0.50 m. y 0.20 m., reduciéndose su peso aproximadamente a la mitad.

2.5 PUENTES DE ACERO:

Los puentes de acero construidos en el país han permitido alcanzar luces importantes. Los puentes sobre vigas metálicas pueden vencer luces de hasta 45 m (similar al preesforzado tradicional), mientras que con puentes metálicos en celosías se ha alcanzado los 80 m, y con puentes metálicos en arco se ha llegado hasta 100 m, constituyendo luces importantes.

Los puentes metálicos tienen dos tipos de limitantes: su costo por utilizar materiales importados, y la necesidad de un mantenimiento considerable.

Un tipo muy importante de puentes metálicos constituyen los Puentes de Circunstancia, que se los utilizan por su rapidez de construcción (los más pequeños pueden ser armados en 24 horas). El más conocido en esta categoría es el Puente Bailey.

3. PUENTES DE GRAN LONGITUD:

Los diseños modernos de carreteras y autopistas imponen condiciones muy exigentes de pendiente, curvatura, y altura sobre los cauces, lo que unido a las condiciones topográficas y fluviales del país define la necesidad de diseñar y construir puentes de gran longitud.

En estos casos, la colocación de un sinnúmero pilas intermedias para reducir las luces, puede resolver el problema de la presencia de grandes longitudes, como en el caso del Puente sobre el Río Guayas.

En otras ocasiones este tipo de solución puede traer grandes complicaciones, como la necesidad de construir muchas pilas esbeltas con longitudes del orden de los 100 m o más, en la Sierra; o la construcción de pilas en sitios donde los ríos tienen un comportamiento impredecible, en la Costa y Oriente.

La construcción de pilas de gran longitud no es en sí el problema más importante, pero un número exagerado de las mismas volvería poco práctico, desde el punto de vista técnico-económico, un proyecto de puente.

En muchos casos no es posible evitar el diseño y construcción de puentes con grandes luces por lo que la única alternativa válida consiste en buscar otros métodos de diseño y construcción, como los puentes colgantes (cable-suspended bridges / suspension bridges), los puentes atirantados mediante cables (cable-stayed bridges / cable-supported bridges), o los puentes de hormigón preesforzado en volados sucesivos.

EN PUENTES DE GRAN LONGITUD, LA RELACIÓN ENTRE EL DISEÑO Y LA CONSTRUCCIÓN ES MUY CERCANA. EN LA CONSTRUCCIÓN DEBEN TOMARSE EN CONSIDERACIÓN LOS PARÁMETROS DE DISEÑO, Y EL DISEÑO DEBE PARTIR DE LA SELECCIÓN DE LAS METODOLOGÍAS DE CONSTRUCCIÓN.

Los puentes preesforzados en volados sucesivos, para tráfico vehicular, son técnica y económicamente convenientes para luces comprendidas entre 80 m y 220 m. Los puentes atirantados son competitivos con luces entre 150 m y 400 m. Los puentes colgantes, por su parte, pueden ser convenientes para luces superiores a los 250 m.

Dependiendo de las condiciones particulares del país y de la zona en que se va a construir el puente (disponibilidad de equipamiento, de materiales, de mano de obra y de personal técnico, además del correspondiente marco legal y los costos), estos criterios generales pueden sufrir variaciones.

Si, por ejemplo, el Ministerio de Obras Públicas hubiera adquirido previamente todo el equipo necesario para la construcción de puentes atirantados, las empresas constructoras deberían contemplar en sus propuestas económicas solamente el arrendamiento a nivel nacional de este tipo de equipos, mientras que para el caso de puentes colgantes y puentes en volados sucesivos se debería incluir el arrendamiento internacional (más costoso que el arrendamiento nacional por transporte, tipo de garantías, etc.) o el costo de amortización de equipo adquirido expresamente para la construcción. El resultado del presente caso hipotético sería que la curva de costos de los puentes atirantados permanecería baja mientras las curvas de los puentes colgantes y puentes en volados sucesivos se desplazarían hacia arriba, en el gráfico, volviendo más competitivos a los puentes atirantados.

4. TIPOS DE CARGAS EN PUENTES Y VIADUCTOS

Los puentes y viaductos son diseñados para soportar una diversidad de cargas, entre los que se cuentan:

• Carga Permanente: Constituida por el peso propio de la estructura, el peso de la capa de rodadura, el peso de las instalaciones.
• Carga Viva Móvil: Generalmente especificada mediante camiones y trenes de carga idealizados, o cargas distribuidas equivalentes con eje de cargas concentradas.
• Carga Sísmica: Modelada como equivalente estático y como efecto dinámico
• Carga de Viento: Modelada como equivalente estático y como efecto dinámico
• Empuje de Tierras
• Empuje Hidrodinámico del Agua: Proveniente de la velocidad con que circula el agua por los cauces de río o de la velocidad con que impacta el agua de mar
• Flotación: Provocada por el sumergimiento en agua de parte de los componentes del puente, como las pilas centrales
• Cambios de Temperatura
• Impacto por Cargas Vivas Móviles: Debido a la velocidad con que circulan los vehículos sobre el puente
• Frenado
• Palizadas: Provocadas por la acumulación de restos vegetales en épocas de máximo caudal, la que actúa sobre determinados componentes del puente como pilas y estribos.
• Fuerza Centrífuga: Presente en puentes con curvatura en planta
• Flujo Plástico de los Materiales, etc.

Los estados de carga críticos dependen del tipo de puente diseñado, su geometría, de los materiales de construcción y del sitio en que se va a construir la estructura, pues no todas las cargas son importantes para todos los puentes, así:

• Las cargas dinámicas de viento son importantes en puentes de gran longitud con poca rigidez, como los puentes colgantes, mientras la presión estática equivalente al viento es importante en puentes metálicos en celosía
• El flujo plástico del material es importante en puentes preesforzados
• La fuerza centrífuga es importante en puentes de eje curvo
• La presión hidrodinámica es importante en puentes sobre ríos correntosos, con pilas intermedias
• Las palizadas son importantes en puentes con pilas intermedias ubicadas a distancias pequeñas entre sí, etc.

En Ecuador no existe un código de diseño de puentes propio, pero el MOP ha adoptado el código de diseño norteamericano AASHTO, el mismo que fija las cargas que actúan sobre los elementos de los puentes.

5. CARGA VIVA MOVIL EN PUENTES

El código AASHTO define diversos tipos de cargas móviles que actúan sobre los diferentes componentes de los puentes: camiones de 2 ejes (HS20, HS15), camiones de 3 ejes (HS20-44) y cargas distribuidas equivalentes al flujo vehicular, con eje de cargas concentradas.

Mientras los camiones de carga idealizados simulan el efecto de la presencia de vehículos sumamente pesados de 2 y tres ejes, la carga distribuida equivalente con eje de cargas concentradas simula el efecto de un congestionamiento vehicular sobre el puente. En ambos tipos de carga se presupone que actúan sobre 1 carril del puente con un ancho de 10 pies (3.05 m).

a. El Camión HS20:

Es un camión idealizado de 2 ejes en el que cada rueda del eje posterior concentra el 80% de la carga de referencia (0.8 x 20,000 lb = 16,000 lb), mientras cada rueda del eje delantero concentra el 20% de la carga de referencia (0.2 x 20,000 lb = 4,000 lb). La carga de referencia del HS20 es de 20,000 libras.

El Eje de Ruedas Longitudinal del HS20 pesa 20,000 libras, siendo éste el origen de su identificación numérica.

b. El Camión HS20-44:

Es un camión idealizado de 3 ejes en el que cada rueda de cada eje posterior concentra el 80% de la carga de referencia (0.8 x 20,000 lb = 16,000 lb), mientras cada rueda del eje delantero concentra el 20% de la carga de referencia (0.2 x 20,000 lb = 4,000 lb). La carga de referencia es de 20,000 libras.

En la práctica el camión HS20-44 es un HS20 al que se le ha añadido un tercer eje transversal de iguales características al eje transversal más pesado del HS20.

El HS20-44 es el camión de diseño de puentes para autopistas y carreteras de primero, segundo y tercer orden, aunque ocasionalmente pueden utilizarse camiones menos pesados para vías de comunicación particulares. Así mismo, pueden existir trenes de carga más pesados en instalaciones especiales como aeropuertos y puertos.

Cada carril del puente (de 10 ft de ancho) es cargado con un camión HS20-44, ubicado en distintas posiciones para obtener el efecto máximo sobre cada elemento del puente.

Generalmente el tren de cargas concentradas HS20-44 domina el diseño de elementos estructurales con distancias entre apoyos pequeñas y moderadas (en vigas y losas longitudinales hasta aproximadamente 35 m de luz), mientras que para grandes luces son las cargas distribuidas equivalentes las que definen el diseño de los elementos que vencen tales luces.

c. Carga Distribuida Equivalente y Eje Transversal de Carga Concentrado:

A través de la carga distribuida equivalente y del eje transversal de carga concentrado se modela el efecto de un congestionamiento vehicular sobre el puente.

Al igual que los camiones de carga se supone que la carga distribuida actúa sobre un ancho de carril de 10 ft.

Este tipo de carga se utiliza para diseñar los elementos de desarrollo longitudinal de ciertos puentes, así como ciertos elementos de apoyo de tales elementos longitudinales.

El Código AASHTO establece que todos los elementos estructurales deben ser diseñados para soportar tanto los camiones de carga como las cargas distribuidas equivalentes.

6. COMPONENTES BASICOS DE LOS PUENTES

Los componentes de los puentes caen en 2 categorías: componentes de la superestructura y componentes de la subestructura.

Superestructura: Es la parte del puente en donde actúa la carga móvil, y está constituida por:

• Losa del tablero
• Vigas longitudinales y transversales
• Aceras y pasamanos
• Capa de rodadura
• Otras instalaciones

Subestructura: Es la parte del puente que se encarga de transmitir las solicitaciones al suelo de cimentación, y está constituida por:

• Estribos
• Pilas
• Muros de ala