Introducción
Cuando visualizamos una estructura de puente con geometría compleja que comunica a dos grandes ciudades, que cubre grandes ríos o que se utiliza como medio de paso de mares o grandes acantilados, inmediatamente pensamos que son proyectos y obras "imposibles", es decir, proyectos y obras que son destinadas para cierta elite de profesionales a la cual no pertenecemos. Y es que, para estos casos pudiese haber algo de cierto en dicha aseveración, debido a que diseñar un puente de tales características pudiese requerir de una gran experiencia y además muy especializada.
Sin embargo, en nuestra vida cotidiana vemos puentes viales y peatonales de importancia nada despreciable que se utilizan para cubrir luces importantes en autopistas, carreteras, cauces de ríos, laderas, taludes, entre otros, y siempre las incógnitas son las mismas:
Vamos entonces a responder cada una de estas incógnitas con la finalidad de que podamos visualizar el proyecto y construcción de puentes como una actividad que podemos desarrollar perfectamente haciendo uso de la normativa vigente y de las herramientas tecnológicas disponibles actualmente en el mercado.
¿Cómo se consideran las cargas en un puente?
Existen diferentes normativas en el continente americano y europeo que regulan los procesos de diseño y construcción de puentes, sin embargo, nos vamos a concentrar en la norma AASHTO LRFD Bridge, que ha logrado abarcar la mayoría de los aspectos que deben ser considerados en el diseño y construcción de puentes. Las siglas LRFD, traducen factores de carga y resistencia (Load and Resistance Factors Design), método que actualmente rige el diseño de la mayoría de las estructuras en concreto armado y acero estructural.
Las acciones permanentes típicas consideradas en el diseño son debidas al peso de los miembros estructurales y no estructurales, entre los que destacan: las pilas, vigas, tableros, pavimentos, defensas, barandas, aceras y diferentes aditamentos que pudiesen ir acoplados a la estructura del puente.
Según la localidad en la que esté concebido el proyecto, se deberán incluir en el análisis los efectos de las acciones de viento, nieve y sismo. Los puentes ligeros pudiesen manifestar importantes desplazamientos y amplitudes debido a efectos de ráfagas de viento, y es por ello que en el diseño se contempla el uso de miembros de rigidización que permiten incrementar la rigidez del puente.
¿Cómo estimar las cargas vehiculares más probables sobre un puente?
La norma AASHTO LRFD Bridge ha logrado solucionar el problema de la variabilidad de acciones vehiculares mediante la tipificación de trenes de carga. Los trenes de carga se generan a partir de combinación de vehículos normalizados y cargas distribuidas por trochas. Estos vehículos normalizados poseen ejes de carga simples y tándem, que se combinan con cargas uniformemente distribuidas con la final de obtener el tren de carga correspondiente, destaca en la práctica de diseño el uso del tren designado como HL-93.
La AASHTO propone el uso de modelos de vehículos estandarizados con ejes de ubicación variable, que permiten analizar la estructura mediante movimientos de carga para obtener las envolventes máximas para cada tipo de solicitación. La carga variable vehicular en puentes consistirá entonces de una combinación de:
Camión de Diseño AASHTO LRFD Bridge
Tándem de Diseño AASHTO LRFD Bridge
Las cargas vehiculares son modificadas al considerar los efectos adicionales típicos de cargas móviles, entre las que destacan:
Actualmente se dispone en el mercado de software de última generación que permiten incorporar estos trenes de carga normalizados, analizar todos los movimientos de carga posibles, considerar las diferentes cargas de impacto y frenado y obtener las máximas solicitaciones envolventes en tableros y apoyos, con la finalidad de efectuar el diseño estructural de los componentes estructurales. Este proceso que anteriormente consumía un tiempo de análisis importante, ya actualmente se efectúa de forma muy rápida mediante el uso de estas herramientas de cálculo que además permiten obtener los resultados con un excelente nivel de precisión.
Modelo de un puente en concreto armado desarrollado con el Software midas Civil.
Acción sísmica en el diseño de puentes
Existen regiones de elevada sismicidad donde se han elaborado documentos y normativa de diseño particular para considerar la amenaza sísmica en el diseño especifico de puentes; a menos que se utilicen otras regulaciones internacionales tales como la ASCE7, el EUROCODIGO o cualquier otra equivalente. En caso de utilizarse alguna de estas regulaciones, se debe validar si el espectro de diseño tipificado cumple desde el punto de vista probabilístico, con la condición de amenaza sísmica utilizada en el sitio donde se pretende construir el puente, es decir, evaluar si el periodo de retorno asociado a la amenaza sísmica y la probabilidad de excedencia del evento, cumple con la filosofía del espectro utilizado.
La mayoría de los códigos de diseño permiten construir el espectro de diseño sísmico en función del nivel de amenaza existente, tipo de suelo, importancia de la estructura, nivel de ductilidad esperado y requisitos particulares de diseño estructural. Tanto en puentes de concreto armado como de acero estructural, la acción sísmica determina efectos importantes en el diseño de los miembros estructurales, tales como: pilares, estribos, vigas e incluso sobre elementos de contención lateral de tierras, donde adicional a los empujes del material de relleno y las cargas vehiculares, se deben considerar los incrementos de empujes laterales debidos a la acción sísmica, que en muchas localidades son las que determinan el diseño estructural del puente.
Acción sísmica en el diseño de puentes (Deepsoil y Midas Civil)
Fuerza de colisión de una embarcación en el diseño de puentes
En un puente que se concibe para cubrir cursos de agua, ¿será que debo imaginarme que en algún momento se pueda dar la colisión de un barco contra el puente?
Es importante destacar que el diseño de puentes que cubren cursos de agua, debe estar respaldado por un estudio hidrológico e hidráulico que indique cuales son los niveles máximos y mínimos de agua que pudiesen existir en diferentes épocas del año, y que determinan la ubicación de los componentes estructurales del puente y de los diferentes mecanismos de protección.
Cuando se diseñan puentes que atraviesan cursos de agua por donde se tiene previsto el paso de embarcaciones, la normativa AASHTO indica que se debe seleccionar un buque de diseño que será seleccionado según las características del puente, del buque, del curso de agua y de la clasificación operacional del puente. En este proceso de diseño se estima una "frecuencia anual de colapso debido a buques" y se debe garantizar que dicha frecuencia de colapso cumpla con el criterio de aceptación para dicho componente (pila o estribo). La norma AASHTO permite estimar la velocidad de colisión de diseño y la fuerza de impacto del barco sobre el pilar o columna, en función de estos parámetros es posible diseñar las protecciones y evaluar las consideraciones de seguridad antes estas acciones
¿Cómo se decide que un puente se construya en concreto armado o en acero estructural?
Esta es una pregunta que muchas veces nos hacemos al recorrer ciertas ciudades donde conseguimos diferentes geometrías y tipologías de puentes concebidas con diferentes materiales constructivos, e incluso se pueden observar soluciones muy diferentes para luces similares.
En algunas localidades, el aspecto económico pudiese fijar el uso de un determinado material constructivo, es decir, en algunos países el costo de fabricación del concreto es menor que el del acero estructural, sin embargo, en la mayoría de los casos el uso de estructuras de acero pudiese implicar una mayor velocidad de construcción, versatilidad y rapidez en el montaje, que a su vez pudiese traducirse en menores costos y cumpliendo además con el requisito de poner en uso el puente de forma mucho más rápida. Esto pudiese ser un criterio de selección que en muchos casos influye fuertemente en la escogencia del material constructivo.
Secciones típicas para puentes de acero y mixtos acero-concreto
En la mayoría de los países se utiliza el hormigón armado y presforzado como materiales constructivos típicos de puentes con luces de vanos que oscilan entre 20 m y 50 m, que son típicas de puentes urbanos con uso vial o peatonal.
Secciones típicas puentes de vigas I de concreto presforzado
Ahora bien, por tratarse de estructuras de grandes luces, el peso del puente determina el uso de miembros de dimensiones importantes, y por lo tanto a partir de luces mayores a 50 m el uso del acero como material constructivo permite obtener menores dimensiones de los miembros y controlar la dimensiones y profundidad de las cimentaciones.
Esto no quiere decir que no se puedan hacer puentes de concreto de grandes luces, simplemente que para estos casos se deben utilizar concretos precomprimidos de muy alta resistencia f'c, así como, utilizar geometrías y secciones que controlen el dimensionado de las secciones. Los puentes con secciones longitudinales tipo arco, columnas huecas o con tensores para sostener los tableros, son los predilectos en estos casos.
Las cimentaciones de un puente. ¿Existe alguna diferencia respecto a las edificaciones?
Las cimentaciones de un puente pueden ser concebidas como superficiales o profundas. La condición geotécnica y la magnitud de las cargas actuantes determinan la dimensión en planta de las cimentaciones directas (zapatas o losas) o la profundidad y diámetro de las cimentaciones indirectas (pilotes o pilas).
Ahora bien, el ingeniero geotécnico debe tener presente que el sistema suelo-cimentación debe cumplir no solo con criterios de resistencia o capacidad portante, sino que además se debe garantizar el adecuado comportamiento de los apoyos ante cargas de servicio desde el punto de vista de rigidez, lo cual se realiza mediante el cálculo de los asentamientos esperados. Esto debido a que la presencia de asentamientos diferenciales de magnitudes elevadas puede producir distorsiones importantes sobre la estructura y por ende generar un errático comportamiento sobre los tableros del puente y sobre los apoyos del mismo.
Fuente: Federal Highway Administration (FHWA).
Para efectuar el dimensionado y diseño del sistema suelo cimentación de un puente, el estudio geotécnico debe considerar que los apoyos estarán sometidos a importantes cargas laterales y momentos de volcamiento debidos a la operación de los vehículos y a la acción sísmica. El diseño estructural de la cimentación interactuando lateralmente con el terreno, estará influenciado por el nivel de deformación lateral esperado. De allí que el diseño geotécnico y estructural de la cimentación, tanto superficial como con pilotes, debe contemplar el efecto de las elevadas cargas laterales y tener en cuenta la presencia de importantes momentos flectores que no pueden ser evaluados de la misma forma como se realiza en los procesos de diseño de cimentaciones convencionales para edificaciones.
Diagramas de deformación y momentos flectores típicos de pilotes para puentes
sometidos a cargas laterales (Software GEO5)
Conclusiones
Uno de los mayores retos que enfrenta el profesional de la ingeniería estructural al iniciar un proyecto de Puentes, es el tener que familiarizarse con una nueva normativa de diseño, aplicación de métodos de análisis y diseño que difieren de aquellos utilizados en edificaciones, y el tener que aprender a dominar el uso de complejas herramientas tecnológicas que le permitan llegar de forma rápida y segura a los entregables del proyecto.
Ahora bien, al haber visualizado lo que implica efectuar el diseño típico de puentes convencionales, te darás cuenta que no se trata de "proyectos imposibles". Simplemente son proyectos en los cuales se deben contemplar todas las variables involucradas y acoplarlas de forma armónica al diseño, con la finalidad de garantizar el adecuado funcionamiento del puente durante su vida útil.
Les extiendo una cordial invitación a todos los lectores de este artículo, a que me acompañen a formar parte del grupo de profesionales que hacemos del diseño de puentes una realidad constructiva para nuestras ciudades.
Nuestro Diplomado en Diseño y Construcción de Puentes de Hormigón Armado y Presforzado ofrece al estudiante las herramientas necesarias para abordar el desarrollo de proyectos de puentes mediante el manejo de normativa internacional y el uso de sofisticadas herramientas de cálculo.
El Diplomado forma al participante en la elaboración de proyectos y procedimientos de construcción de Puentes de hormigón armado y presforzado, mediante el estudio de requisitos normativos del código AASHTO LRFD y la aplicación práctica con el software midas Civil.
