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ANALISIS DE SENSIBILIDAD DEL METODO CONSTRUCTIVO EN PUENTES

COLGANTES MULTIVANO

Estudio de secuencia de montaje de dóvelas

CARLOS ALEXIS TORO RIVANO

Tésis para optar al título de Ingeniero Civil en Obras Civiles

Profesor guía: Matías Andrés Valenzuela Saavedra

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE OBRAS CIVILES

Santiago - Chile

2016

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ANALISIS DE SENSIBILIDAD DEL METODO CONSTRUCTIVO EN PUENTES

COLGANTES MULTIVANO

Estudio de secuencia de montaje de dóvelas

CARLOS ALEXIS TORO RIVANO

Tésis para optar al título de Ingeniero Civil en Obras Civiles

Profesor guía: Matías Andrés Valenzuela Saavedra

Profesor Comision: Jeffrey Walters

Profesor Examinador: Pascale Rouse

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE OBRAS CIVILES

Santiago - Chile

2015

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Esta memoria es dedicada con especial afecto.

A mi querido hermano por su preocupación en todo momento.

A mi compañera de años Romina

por su constante apoyo y comprensión.

A mi inspiración diaria, mi sobrino Máximo.

Y finalmente a mi madre Delia Rivano que sin ella

nada de esto era posible, gracias por estar conmigo siempre.

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RESUMENEn Chile encontramos poco conocimento de los puentes colgantes simples y

multivano, lo cual tiene que cambiar con el proyecto del puente Chacao. A raíz

de esto, se hace imprescindible conocer este tipo de estructuras.

Esta inexperiencia en puentes colgantes nos lleva a tener poca información

en sus métodos constructivos, debido a esto se quiere lograr un mayor

conocimiento de este tipo de obras civiles y así obtener mayores herramientas

para plantearnos en una mejor posición para el desarrollo de estas

estructuras, lo cual nos lleva a conseguir una mejor definición y optimización

de procesos tipo montaje de tableros a nivel estructural, esto nos entreg un

gran aporte a la definición de esta tipología.

Al desarrollar este problema e interiorizarse en su construcción como en su

comportamiento dinámico, se logra un conocimiento en los parámetros

constructivos y estructurales, asi se podrá definir una eficaz serie desecuencia del tablero y finalmente dar a conocer recomendaciones y

soluciónes adecuadas de uso en puentes colgantes multivano.

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ABSTRACT

In Chile we found little knowledge of simple and multivano suspension bridges,

but this will change over Chacao bridge project. The objective of this report is

to have a knowledge of the constructive method of suspension bridges and

studying assembly sequence of segments of a suspension bridge multivano

as the Chacao bridge.

It is important to comoexiste little experience in this type of bridge which leads

have little information on their construction methods, because of this we want

to achieve a better understanding of this type of civil works and get more tools

to ask ourselves in a better position to the development of these structures,

which will take us to get a better definition and optimization of assembly

processes such boards at the structural level, this will give a great contribution

to the definition of this type.

In developing this problem and internalize in their construction and their

dynamic behavior, increased knowledge in construction and structural

parameters it is achieved, so you can define an effective sequence number of

the board and also to publicize the recommendations and most appropriatesolutions multivano use suspension bridges.

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INDICE GENERAL

DEDICATORIA ............................................................................................... ii

FACULTAD DE INGENIERÍA ........................................................................ 1

FACULTAD DE INGENIERÍA ........................................................................ 2

INDICE DE TABLAS ................................................................................................. x

INDICE DE FIGURAS .............................................................................................. xi

CAPITULO I: INTRODUCCION ............................................................................... 1

1.1 Contexto, problematización y motivación .............................................. 1

1.2 Objetivos ................................................................................................... 6

1.2.1 Objetivo general ............................................................................. 6

1.2.2 Objetivos específicos: ................................................................... 6

1.3. Plan de trabajo .......................................................................................... 7

1.3.1. Metodología ................................................................................... 7

1.4 Estructuración de la memoria ................................................................ 8

CAPITULO II: ESTADO GENERAL DE LOS PUENTES COLGANTES Y SU

CONSTRUCCIÓN ............................................................................................ 9

2.1 Que es un puente colgante ...................................................................... 9

2.2 Elementos que componen un puente colgante .................................. 12

2.2.1 Fundaciones ................................................................................. 13

2.2.2 Torres o Pilas ............................................................................... 16

2.2.3 Macizo de anclaje ........................................................................ 22

2.2.4 Sillas .............................................................................................. 26 2.2.4 Cable principal ............................................................................. 28

2.2.5 Péndolas ....................................................................................... 33

2.2.6 Tablero .......................................................................................... 37

2.3 Esquema estatico de un puente colgante ........................................... 39

2.4 Método constructivo ................................................................................ 42

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INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Macizos de anclaje, diversos puentes colgantes ................... 26

Tabla 2: Principales tipos de cable ocupados en un puente colgante

.......................................................................................................................................... 30

Tabla 3: Tablero, diversos puentes colgantes ....................................... 39

Tabla 4: Esquema estatico en un puente colgante ............................... 40

Tabla 5: Mapa conceptual, Método constructivo ................................... 43

Tabla 6: Propiedades materiales ............................................................. 84

Tabla 7: Propiedades secciones .............................................................. 85

Tabla 8: Cracteristicas de los parámetros ............................................ 112

Tabla 9: Cracteristicas de los parámetros ............................................ 112

Tabla 10: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 135



Tabla 13: Cracteristicas de los parámetros .......................................... 136 Tabla 14: Cracteristicas de los parámetro ............................................ 152




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INDICE DE FIGURAS

Figura 1: Puente Chacao ............................................................................ 4

Figura 2: Puente colgante Clifton en Brisol, Inglaterra ......................... 10

Figura 3: Elementos principales de un puente colgante ...................... 12

Figura 4: Cajón de fundacion anclaje, puente Akashi Kaikyo ............. 15

Figura 5: torres puente colgante .............................................................. 17

Figura 6: Torres de importantes puentes colgantes ............................. 18

Figura 7: Pila flexible .................................................................................. 19

Figura 8: Torre marco triangular .............................................................. 20

Figura 9: Torre invertida ............................................................................ 21

Figura 10: Torre piramidal ......................................................................... 21

Figura 11: Macizo de anclaje gravitacional ............................................ 23

Figura 12: Macizo puente Aizhai .............................................................. 24

Figura 13: Tunel de anclaje ...................................................................... 25

Figura 14: Sillas .......................................................................................... 26

Figura 15: Diseño transversal silla ........................................................... 27

Figura 16: Cable principal ......................................................................... 29

Figura 17: Detalle de un cable ................................................................. 29

Figura 18: Cable de 7-alambres ............................................................... 31

Figura 19: Cable espiral ............................................................................ 31

Figura 20: Cable cerrado ........................................................................... 32

Figura 21: Alambres de acero paralelo ................................................... 33

Figura 22: Pendolas ................................................................................... 34

Figura 23: Detalle pendola, puente Foth Road ...................................... 35

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xii

Figura 24: Detalle, puente Hennepin ....................................................... 36

Figura 25: Ajuste posición de la silla ....................................................... 44

Figura 26: Cable guía ................................................................................ 46

Figura 27: Esquema para el cable vivo durante el paso del cable en

la silla, método AS ......................................................................................................... 48

Figura 28: Transportador de torones ....................................................... 49

Figura 29: Espaciadores verticales entre los torones den la silla de

la pila ............................................................................................................................... 50

Figura 30: Abrazadera puente Akashi Kaikyo ....................................... 51 Figura 31: Péndolas ................................................................................... 53

Figura 32:Montaje del tablero desde el vano principal hacia las pilas

.......................................................................................................................................... 55

Figura 33: Montaje en cantiléver .............................................................. 57

Figura 34: Fabricación de secciones del tablero ................................... 59

Figura 35: Uniones temporales ................................................................ 60

Figura 36: Esquema del método de montaje del trapecio ................... 61

Figura 37: Cable sometido a su propio peso ......................................... 63

Figura 38: Cable sujeto a cargas puntuales ........................................... 65

Figura 39: Cable sometido a tres fuerzas puntuales ............................ 66

Figura 41: Cambio geométrico en el cable principal ............................. 67

Figura 42: Cable que soporta cargas concentradas ............................. 68

Figura 43: Cable que soportan cargas distribuidas .............................. 68 Figura 44: Estructura simétrica simple .................................................... 70

Figura 45: Relación entre tensión y esfuerzo y la densidad de la

tensión angular .............................................................................................................. 72

Figura 46: Caracteristicas puente colgante un vano ............................ 82

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xiii

Figura 47: Unidades a trabajar en MIDAS CIVIL .................................. 83

Figura 48: Propiedades de los materiales .............................................. 85

Figura 49: Indicación del punto SAG ........................................................... 86

Figura 50: Wizard Midas Civil, dimensiones. ......................................... 88

Figura 51: Modelo puente colgante de un vano .................................... 89

Figura 52: ..................................................................................................... 89

Figura 53:Condiciones de apoyos ........................................................... 90

Figura 54: Beam and reléase, rotulas del sistema ................................ 91

Figura 55: Carga aplicada ......................................................................... 91

Figura 56: Análisis de suspensión bridge ............................................... 92

Figura 57: Tablas de esfuerzos ................................................................ 92

Figura 58: Secuencia constructiva ........................................................... 93

Figura 59: parámetros ............................................................................... 97

Figura 60: Caso 1 referencia .................................................................. 100

Figura 61: Desplazamientos de Torres ................................................. 101

Figura 62: Sag point 27 ........................................................................... 102

Figura 63: Sag point 27 ........................................................................... 103

Figura 64: Cable principal secciones correspondientes a los vanos

laterales, elementos 1 y 52 ....................................................................................... 103

Figura 65: Cable principal correspondientes a secciones cercana a

las torres, elementos 10 y 11 .................................................................................... 104

Figura 66: Cable principal correspondientes a secciones cercana alas torres, elementos 42 y 43 .................................................................................... 104

Figura 67: flexion de secciones del tablero .......................................... 105

Figura 68: Esfuerzos de pilas ................................................................. 105

Figura 69: Caso 2 ..................................................................................... 107

http://c/Users/carlos%20toro%20rivano/Desktop/15.03.docx%23_Toc446403480http://c/Users/carlos%20toro%20rivano/Desktop/15.03.docx%23_Toc446403480http://c/Users/carlos%20toro%20rivano/Desktop/15.03.docx%23_Toc446403480

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xiv

Figura 70: Torres o Pilas ......................................................................... 107

Figura 71: Sag point 27 ........................................................................... 108

Figura 72: Sag point 27 ........................................................................... 109

Figura 73: Elementos 1 y 52 ................................................................... 109

Figura 74: Elementos 10 y 11 ................................................................. 110

Figura 75: Elementos 42 y 43 ................................................................. 110

Figura 76: Secciones tablero .................................................................. 111

Figura 77: Pilas ......................................................................................... 111

Figura 78: Caso 1 referencia .................................................................. 116

Figura 79: Torres o Pilas ......................................................................... 116

Figura 80: Sag point ................................................................................. 117

Figura 81: Sag point ................................................................................. 118

Figura 82: Elemento 1 y 156 ................................................................... 118


Figura 84: Elemento 42 y 197 ................................................................ 120

Figura 85: Elemento 166 y 165 .............................................................. 120


Figura 87: Pilas ......................................................................................... 121

Figura 88: Caso 3 ..................................................................................... 123

Figura 89: Torres ...................................................................................... 123

Figura 90: Sag point ................................................................................. 124

Figura 91: Sag point ................................................................................. 124




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xv



Figura 97: Pilas ......................................................................................... 127

Figura 98: Caso 3 ..................................................................................... 129

Figura 99: Torres ...................................................................................... 129

Figura 100: Sag point ............................................................................... 130

Figura 101: Sag point ............................................................................... 131

Figura 102: Carga axial ........................................................................... 131



Figura 105: Elemento 166 y 165 ............................................................ 133

Figura 106: Secciones tablero ................................................................ 133

Figura 107: Pilas ....................................................................................... 134

Figura 148: Diagramas comportamiento del puente ........................... 137

Figura 108: Caso 4 ................................................................................... 159

Figura 109: Torres .................................................................................... 159

Figura 110: Sag point ............................................................................... 160

Figura 111: Sag point ............................................................................... 160






Figura 117: Pilas ....................................................................................... 164

Figura 118:Caso 5 .................................................................................... 165

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xvi

Figura 119: Torres .................................................................................... 166

Figura 120: Sag point ............................................................................... 167

Figura 121: Sag point ............................................................................... 167






Figura 127: Pilas ....................................................................................... 171

Figura 128: Caso 6 ................................................................................... 172

Figura 129: Torres .................................................................................... 173

Figura 130: Sag point ............................................................................... 173

Figura 131: Sag point ............................................................................... 174






Figura 137: Pilas ....................................................................................... 177

Figura 138: Caso 7 ................................................................................... 179

Figura 139: Torres .................................................................................... 179

Figura 140: Sag point ............................................................................... 180

Figura 141: Sag point ............................................................................... 180



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Figura 146: Seccion tablero .................................................................... 183

Figura 147: Pilas ....................................................................................... 183

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1

CAPITULO I: INTRODUCCION

1.1 Contexto, problematización y motivación

Se ha utilizado en la historia el término de puente para designar a aquellas

construcciones que sirven para conectar diferentes espacios a los que de otra

manera no se podría acceder. El origen de éstas impresionantes estructuras

se creó por la necesidad de sortear un tipo de elemento geográfico que

dificulta el tránsito libre, gracias a estas construcciones se puede conectar los

puntos mas extremos de ambos lados y así permitir continuar el traslado dediferentes medios de transporte.

El trabajo de diseño, planeamiento y construcción de puentes es de gran

importancia ya que la eficacia y la firmeza de un puente deben estar siempre

aseguradas. A través de los tiempos el diseño e ingeniería de los puentes ha

variado de gran manera, así como también el material con el que se construye

y su utilidad.

Los puentes se han convertido a lo largo de la historia no solo en un elemento

primordial para la sociedad, sino en un símbolo de capacidad tecnológica.

Podemos encontrar diferentes tipos de puentes, respecto a las distintas

características de la geografía, economía y utilidad, encontrando puentes

atirantados, en celosía y ménsula, y colgantes.

Esta memoria es dirigida a los puentes colgantes multivano, en el cual

estudiaremos su método constructivo y la secuencia del tablero compuesta

por dóvelas, con el fin de encontrar una secuencia óptima del montaje del

tablero.

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2

Los puentes colgantes maravillan a las personas gracias a su ingeniería

aplicada y su belleza estética, estos puentes en su definición simple, es un

tablero que se suspende por medio de péndolas de dos cables principales los

cuales están sujetos a pilas y a macizos de anclaje, encargadas de transferir

las cargas del tablero por los cables principales hacia las fundaciones.

Con el paso del tiempo la construcción de puentes colgantes mostró avances

importantes como por ejemplo en el siglo XX se concretaron proyectos cada

vez más grandes y con la utilización de más y mejor tecnología. En la

actualidad podemos nombrar algunos puentes colgantes de gran magnitud,como el puente de Humber en Inglaterra, con un vano central de 1.410 m,

Xihoumen en china, con un vano principal de 1650 m y principalmente Akashi

Kaikyo, que une Honshu con la isla Awaji, tiene hasta ahora el record del

mundo en longitud según la distancia entre pilares, vano central de 1991m

(Zegarra, 2007) y por último destacaremos al puente colgante multivano

Taizhou (dos tramos consecutivos principales de 1.080 metros cada uno),

construído en China.

Los métodos constructivos de los puentes colgantes son muy similares con lo

cual podemos notar resumidamente cinco étapas de construcción: la primera

construcción de fundaciones; la segunda etapa está la construcción de la pila;

etapa tres se construye los macizos de anclaje; etapa cuatro el cable principal

y las péndolas; etapa cinco y final se comienza a posicionar el tablero. Cuando

el peso de las secciones del tablero se va uniendo paso a paso al cable

principal, este presenta desplazamiento y cambio en su curvatura (Zegarra,

2007).

La construcción del tablero va a depender de diferentes factores, como la

geografía, diseño, y otros. Los diferentes montajes son los siguientes:

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20/205

3

Montaje del tablero desde el vano principal hacia las pilas

Montaje en cantiléver, acá el tablero se monta desde las pilas hacia los

extremos y hacia la mitad del vano principal

Método combinado, acá está presente el montaje de construcción en

cantiléver y el izaje directo.

En Chile encontramos esta tipología de puentes en una medida inferior, pero

esto va a cambiar con el proyecto del puente Chacao, ubicado en la región de

los lagos que tendrá una longitud de 2,7 km, siendo un gran avance para el

país. Este proyecto tiene como objetivo unir la isla de Chiloé con Chile

continental y así dar un mayor valor social a la isla al disminuir los tiempos de

viaje, lo cual favorece de gran manera a las personas de la zona.

La particularidad del puente Chacao es que tiene diferentes luz entre vanos,

punto bastante inusual en los puentes colgantes de grandes dimensiones, el

puente colgante del canal de Chacao es de una longitud de 2.635 km con una

luz principal de 1.180 m y una secundaria de 1.055 m, ésta diferencia esporque se quiere aprovechar que la pila central de tipo rígida esté situada en

una roca al fondo del canal, lo que nos dará mayor estabilidad a la estructura.

El tablero sera de viga cajón aerodinámico con un ancho de 21,6 m y un canto

de 2,8m.

Como se mencionó anteriormente el objetivo de esta memoria, es poder tener

un conocimiento en el método constructivo en el montaje de dóvelas de los

puentes colgantes multivano, tomando como referencia la secuencia de

montaje del tablero y propiedades del puente Chacao, figura 1.

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4

Figura 1: Puente Chacao

Referencia: (Urrutia, 2011)

Es apropiado comentar que hay poca experiencia nacional como internacional

en el diseño de puentes colgantes multivano, por este motivo aparecen

problemáticas al momento de su construcción y en cómo lograr su óptimo

proceso. Debido a esto se quiere lograr un mayor conocimiento de este tipo

de obras civiles y así obtener mayores herramientas para plantearnos en una

mejor posición para el desarrollo de estas estructuras, lo cual nos llevará a

conseguir una mejor definición y optimización de procesos tipo montaje de

tableros a nivel estructural, esto nos dará un gran aporte a la definición de

esta tipología.

Ya que existen muchos vacíos y desconocimiento en esta tipología de puente,

la idea principal es enfocarse particularmente en el método constructivo del

tablero de este puente y con esto mediante uso de un software específicopoder obtener datos que nos darán la posibilidad de analizar y encontrar el

orden del posicionamiento de este tablero de la mejor forma.

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5

En esta investigación se realiza en primer lugar modelos de puentes colgantes

simples mediante el software MidasCivil, se empieza con los puentes

colgantes de un vano con el propósito de identificar los parámetros mas

importantes en las etapas constructivas del montaje del tablero, luego se

realizan multiples modelos de puentes colgante multivano, con esto se puede

comparar e identificar si los parámetros serán los mismos que del puente de

un vano con la finalidad de saber si el comportamiento cambia al agragar uno

o varios vanos a la estructura simple. Una vez que los modelos estan listo, se

alterará el tablero en diferentes secuencias de montaje, gracias a estas

secuencias se podrá ir analizando los datos entregados por el software y asíobservar distintos esfuerzos y comportamientos en la estructura

(deformaciones del cable, tensión por esfuerzo de la pila , entre otros) al

momento de cambiar los parámetros correspondientes, para luego realizar un

análisis de sensibilidad, que nos permitirá crear diagramas de curvas

comparativas para cada elemento que se vea afectado y así buscar, y

recomendar el montaje más óptimo para puentes colgantes multivano de

grandes dimensiones.

Al desarrollar este problema e interiorizarse en su construcción como en su

comportamiento dinámico, se logrará un mayor conocimiento en los

parámetros constructivos y estructurales, asi se podrá definir una eficaz serie

de secuencia del tablero, lo que permitirá tomar decisiones a futuro con mayor

conocimiento, posibilitando escenarios más óptimos en capacidad estructural,

tecnológica aplicada y en su respectivo costo. Y así finalmente generar

recomendaciones y la solución más adecuada de uso en puentes colgantes

multivano.

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6

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo general

Analizar el comportamiento estructural del proceso constructivo de un puente

multivano tipo colgante, a partir de un estudio de sensibilidad de la secuencia

de posicionamiento de tableros.

1.2.2 Objetivos específicos:

Investigar una tipología de puente colgante, reconociendo la importancia

que le proporciona a la estructura su método constructivo y sucomportamiento estructural en el proceso evolutivo de construcción.

Realizar un análisis de sensibilidad sobre la secuencia constructiva de un

puente colgantes tradicional, con el fin de obtener una solución adecuada y

detectar los parámetros relevantes en el proceso constructivo.

Realizar un análisis de sensibilidad para la secuencia contructiva de un

puente colgante multivano simetrico, identificando los nuevos parámetros

relevantes de estudio.

Realizar un estudio comparativo en puentes colgantes multivano con

variación de las rigidez de elementos principales (pilas) a partir de un caso

practico.

Determinar conclusiones sobre los resultados obtenidos identificando las

variables que más influyen en el diseño constructivo, definiendo para el caso

de estudio la solución más adecuada y generando recomendaciones de uso

en puentes colgantes multivano.

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7

1.3. Plan de trabajo

El método de trabajo será definido a través de una metodología y una carta

Gantt como cronograma.

1.3.1. Metodología

Para desarrollar esta investigación se seguirá la siguiente metodología:

Se analizará la información de puentes colgantes respecto a su método

constructivo y su comportamiento, por medio del material entregado por el

profesor como también en la recopilación de material vía internet ybibliográfico.

Se establecerán horarios de trabajo semanales con el profesor guía, con el

fin de asegurar un buen entendimiento del tema a tratar y revisión

bibliográfica, además de una correcta ejecución del software requerido.

Se utilizará el software MidasCivil, para poder modelar y ver elcomportamiento del puente con respecto a los esfuerzos que intervienen en

este, se eligió este software ya que es un programa dedicado exclusivamente

a puentes, a diferencia de otros programas estructurales y debemos recalcar

que es muy bueno en procesos constructivos y en su no linealidad.

Una vez concretado el modelamiento del puente mediante el software se

desarrollará un análisis de sensibilidad de la secuencia constructiva de

tablero, obteniendo resultados para su análisis y comparación.

Se analizan los resultados obtenidos detectando las variables que permitan

concluir acerca de la mayor eficiencia en el diseño estructural.

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8

1.4 Estructuración de la memoria

Esta memoria consta de cinco capítulos, empezando por su capítulo 1, donde

encontraremos la motivación, objetivos y plan de trabajo de la memoria.

En el capítulo 2, se podrá identificar el estado del conocimiento de puentes

colgantes, el estudio detalladamente del método constructivo y su análisis.

Con esta información podremos identificar de mejor manera los parámetros a

intervenir en el puente y así lograr la secuencia buscada.

En el capítulo 3, específicamente se modelan los puentes colgantes simples

y multivano, mediante el estudio del programa MidasCivil.

En el capítulo 4, se interviene los diferentes puentes colgantes incluyendo el

modelo con características similares al puente Chacao, quitar y poner en

diferentes posiciones el tablero, así identificar esfuerzos y diferentes

comportamientos de los puentes colgantes, para luego realizar análisis

sensitivo de los diferentes parámetros, mediante comparativas con lo cual se

encontrara la forma óptima de posicionamiento del tablero.

En el capítulo 5, recomendaciones y conclusiones finales.

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9

CAPITULO II: ESTADO GENERAL DE LOS PUENTES COLGANTES Y SU

CONSTRUCCIÓN

2.1 Que es un puente colgante

En América del Sur hay evidencias de puentes colgantes Incas en ellos los

cables de los puentes típicamente se construían con lianas y se usaban para

poder viajar por el terreno escarpado de la selva. La evolución de los puentes

colgantes fue el resultado de la introducción de materiales nuevos, como en

el caso de las cadenas de hierro que reemplazaron las sogas siendo este unmaterial más fuerte pero más pesado (Narvaez, 2008).

Los primeros puentes con cables de acero que se conocen, se construyeron

en Asia hace 2000 años en los límites de China y el Tíbet, donde los cables

de acero, reemplazaron a las cuerdas trenzadas de fibras naturales, eran

colgados en forma libre de un lado del puente hasta el otro y rellenados con

tablas para crear el tablero. Así, las personas que vivían en las montañas del

Tíbet sorteaban las quebradas. Este sistema de puente tenía la desventaja de

que el tablero seguía la curva libre de los cables y era totalmente flexible.

A mediados del siglo XVIII, aparecen los puentes colgantes con

características similares a los que se ven en la actualidad, donde los cables

principales eran cadenas con pasadores, teniendo luces de 20 a 30 metros.

El primero de esta tipología, se remontaría a uno construído en 1824 en

Tournon, Francia.

Los cables de acero y torres de cemento lograron que los puentes colgantes

fueran una opción más viable para unir distancias más largas y soportar pisos

más pesados en los que se puede transportar vehículos de carga. Cabe

enfatizar que el puente más antiguo que sigue en servicio, se terminó de

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10

construir en 1864, este es el puente Clifton, ubicado en Inglaterra, con 213 m

de luz. Este puente emplea tres cadenas de hierro forjado como sistema de

cables principales (ver figura 2).

Este puente es una obra maestra de la ingeniería, diseñado por Isambard

Kingdom Brunel cuando tenía 23 años, su diseño fue tan perfecto, que ha

permanecido sin cambios estructurales hasta la actualidad.

Figura 2: Puente colgante Clifton en Brisol, Inglaterra

Referencia: Mariano Sanz

Un puente colgante es un puente cuyo tablero, en vez de estar apoyado sobre

pilas o arcos se sujeta mediante cables o piezas atirantadas desde una

estructura a las que van sujetas.

Una de sus variantes más conocidas es el que tiene una catenaria formada

por numerosos cables de acero, de la que se suspende el tablero del puente

mediante tirantes verticales. La catenaria cuelga de dos torres (pilas) de

suficiente altura, encargadas de llevar las cargas al suelo.

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A continuación se muestran las ventajas y desventajas de un puente colgante

respecto a sus propiedades.

Ventajas:

La cantidad de material empleado en la construcción es mucho menor que

la necesaria para un puente apoyado debido a que para la misma carga los

materiales resisten mucho más a tracción que a compresión (a compresión

requieren mayor sección para evitar el pandeo) (Zegarra, 2007).

El vano central puede ser muy largo en relación a la cantidad de material

empleado, permitiendo comunicar cañones o vías de agua muy anchos.

Pueden tener la plataforma a gran altura permitiendo el paso de barcos muy

altos.

No se necesitan apoyos centrales durante su construcción, permitiendo

construir sobre profundos cañones o cursos de agua muy ocupados por eltráfico marítimo o de aguas muy turbulentas.

Siendo relativamente flexible, puede flexionar bajo vientos severos y

terremotos, donde un puente más rígido tendría que ser más fuerte y duro.

Desventajas:

Al faltar rigidez el puente se puede volver intransitable en condiciones de

fuertes vientos o turbulencias, y requeriría cerrarlo temporalmente al tráfico.

Esta falta de rigidez dificulta mucho el mantenimiento de vías ferroviarias

(Zegarra, 2007).

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Bajo grandes cargas de viento, las torres ejercen momento (fuerza en

sentido curvo) en el suelo, y requieren una gran cimentación cuando se trabaja

en suelos de menor resistencia, lo que resulta muy caro.

2.2 Elementos que componen un puente colgante

En este siguiente punto, se especifica detalladamente los elementos

principales que componen un puente colgante.

Figura 3: Elementos principales de un puente colgante

Referencia: (Vallejo, 2014)

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2.2.1 Fundaciones

Este elemento tiene como misión transmitir las cargas de la

estructura o elementos apoyados a este suelo y brindar a la misma un sistema

de apoyo estable distribuyéndolas de forma que no superen su presión

admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a que la resistencia del suelo

es generalmente menor que la de los pilares que soportará, el área de

contacto entre el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande

que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes).

Las fundaciones son importantes ya que es el grupo de elementos que

soportan a la superestructura.

La fundación estará bien diseñada si cumple adecuadamente con

su doble función, estabilidad y resistencia, controlando dos estados límites a

saber, las condiciones de servicio y las condiciones de falla por resistencia. A

estas dos condiciones de falla se les llama estados límites porque ambas

determinan si una fundación sirve o no.

Las consideraciones que determinan el tipo de fundación a utilizar en un

proyecto son:

- Tipo de estructura.

- Cargas que se deben transmitir al suelo.

- Condiciones del subsuelo.

- Definir opciones de cimentación.

- Evaluar comportamiento y costo de las opciones.

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Las fundaciones se pueden clasificar en (Duan, 2000):

Fundaciones superficiales: Son aquellas que se apoyan en las capas

superficiales o poco profundas del suelo, en este tipo de cimentación, la carga

se reparte en un plano de apoyo horizontal. En estas fundaciones superficiales

de los puentes se debe considerar la capacidad de soporte y los

asentamientos admisibles que puedan tener. En general estas fundaciones

van a ser una zapata o losa de fundación de gran espesor.

- Zapatas

- Losas de fundación- Fundaciones ciclópeas

- Zapatas combinadas

Fundaciones profundas: Este tipo de fundaciones sirven para transferir cargas

a través de estratos blandos, repartir cargas por fricción lateral, tomar cargas

de tracción por fricción negativa, proporcionar anclaje y carga horizontal, evitar

socavación, proteger cimentación de excavaciones futuras, para fundaciones

en suelos expansivos, proteger estructuras marinas y para compactar el suelo.Las fundaciones profundas son aquellas fundaciones en el que su su extremo

inferior está situado a una profundidad superior a 8 veces su diámetro, estas

fundaciones transfieren cargas mayores que las de tipo superficial.

- Cajones circulares, figura 4.

- Cajones con sistema de aligeramiento

- Pilotes

Las condiciones geológicas y geotécnicas de la superficie y del subsuelo son

otro factor principal en la determinación del tipo de las fundaciones del puente.

Las condiciones del subsuelo, en especial las profundidades de la capa

portante del suelo o roca, son el factor más crucial. La sismicidad sobre la

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2.2.2 Torres o Pilas

Elemento vertical que soporta una serie de cables de carga, esta contribuyen

en la parte estética y en la funcionalidad de los puentes colgantes.

Su principal función estructural de las torres en un puente colgante, es llevar

el peso del puente, las cargas del tráfico y las fuerzas de la naturaleza a la

cimentación. Las torres deben realizar esta función de manera segura,

estética y económica ya que de ellas depende la duración del puente, debidoa que no pueden ser reemplazadas.

En la mayoría de los puentes colgantes de tramos largos, las torres, por lo

general, no están diseñados para resistir el momento de flexión longitudinal

debido al peso estructural de las vigas de rigidez. Este tipo de torres son

flexibles en dirección longitudinal. Para puentes colgantes de tramos cortos o

múltiples tramos, los pilones pueden estar diseñados de forma rígida para

resistir la curvatura longitudinal debido a cargas dinámicas o estáticas (Wang,

2014).

Entre sus características, se encuentra que deben ser rígidas y actuar como

soporte neutro entre las fuerzas de los cables (en dirección de la gravedad),

también deben ser bastante flexibles para permitir cambios en la longitud

ocasionadas por las cargas vivas y temperatura.

Las torres de sustentación pueden tener una gran diversidad de geometrías y

materiales de construcción, generalmente son construidas en hormigón

armado por su permanente contacto con el agua y la tierra, aunque la

superestructura puede ser de acero, hormigón armado e inclusive de madera,

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pero generalmente presentan como característica típica una rigidez

importante en la dirección transversal del puente y muy poca rigidez en la

dirección longitudinal permitiendo los desplazamientos longitudinales del

sistema de cableado. Este se constituirá en un factor importante para la

estructuración de todo el puente colgante.

Figura 5: torres puente colgante

Las torres han sido siempre los elementos más difíciles de proyectar de los

puentes colgantes, porque son los que permiten mayor libertad. Por eso en

ellas se han dado toda clase de variantes.

Las torres no plantean problemas especiales de construcción, salvo la

dificultad que supone elevar piezas o materiales a grandes alturas, las torres

de los puentes metálicos se montan generalmente mediante grúas trepadoras

ancladas a ellas, que se van elevando a la vez que van subiendo las torres.

Las de los puentes de hormigón se construyen mediante grúas o estructuras

tipo plataforma. Podemos destacar que Apoyados y anclados en la parte alta

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de las torres de sustentación, y ubicados de una manera simétrica con

relación al eje de la vía, se suspenden los cables principales de la estructura

(generalmente un cable a cada lado de la torre). A continuación en la figura 6

se muestran diferentes torres o pilas para diferentes puentes colgantes,

notando las diferentes alturas y formas para cada uno.

Figura 6: Torres de importantes puentes colgantes

Referencia: (Narvaez, 2008)

a) Golden Gate c) San Francisco e)WaltWhitman

b) Mackinac d) Tacoma Narrows

Los pilones pueden estar diseñados para ser rígidos o flexibles de manera de

resistir fuerzas horizontales de los cables encima de los pilones. La mayoría

de las pilas de puentes colgantes de tramo largo son flexibles, figura 7. Este

tipo de pilas está mayormente bajo compresión debido a cargas estáticas yleve deflexión debido a cargas dinámicas. Tanto el acero como el concreto se

utilizan en las pilas.

Las pilas de concreto pueden tener mayores ventajas que los de acero en

términos del costo de construcción y mantenimiento. Algunos ejemplos de

pilones de acero incluyen el Golden Gate Bridge y el Akashi Kaikyo Bridge,

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mientras que la mayoría de los puentes colgantes, como el Xihoumen Bridge

y el Jiangyin Bridge construidos en la República Popular de China, tienen

pilones de concreto (Wang, 2014).

Figura 7: Pila flexible


La altura de las torres de un puente colgante sobre el tablero, depende de la

luz y el radio de la catenaria, a este valor preliminar se debe agregar la

profundidad estructural del tablero y la holgura a las fundaciones para obtener

la altura total aproximada de la torre.

Hay dos requisitos importantes que debe cumplir la torre, el primero es

respecto a su flexibilidad la que tiene que ser adecuada para los

desplazamientos longitudinales en la etapa final y el segundo es que debe

ser estable durante su construcción. Estos dos requisitos son más difíciles de

cumplir para aquellos puentes que tienen diferentes razones de tramos

(asimétricos).

Todas las pilas tienen refuerzos transversales que le dan la máxima rigidez

lateral según las condiciones sísmicas y de viento del lugar, haciéndoles

trabajar como celosía en cantiléver. Existen dos tipos de refuerzos

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transversales: los refuerzos diagonales o cruces de San Andrés y las vigas

horizontales.

Las torres rígidas, son usadas cuando los puentes de varios vanos requieren

una considerable rigidez en la dirección longitudinal ya que son solicitadas

mediante fuerzas en dirección longitudinal desde el sistema de cables y por

ser una estructura de cuatro apoyos.

Existen tres tipos de pilas rígidas:

Marco Triangular (figura 8): formada por cuatro columnas rectas, inclinadas,acopladas por una viga de arriostramiento. Además, a las cuatro columnas las

unen vigas transversales que están situadas abajo del tablero, con estas vigas

se logra un soporte lateral y torsional al tablero para estabilizarlo (Vallejo,

2014).

Figura 8: Torre marco triangular


Invertida (figura9): La pila invertida solo se ha usado en un puente colgante

de grandes luces, como es el puente golgante multivano Taizhou en China.

Esta pila esta ubicada al centro y es un soporte para las dos luces del Taizhou

(Vallejo, 2014).

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Figura 9: Torre invertida


- Estructura Piramidal (figura 10): Este elemento no se ha utilizado en los

puentes colgantes pero si en los puentes atirantados como en el puente Rio-

Antirio en Grecia siendo unos de los mayores puentes atirantados de europa.

Figura 10: Torre piramidal


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Figura 11: Macizo de anclaje gravitacional


Estos macizos de anclaje funcionan como un contrapeso de todas las cargas

recibidas por el sistema de cables desde el tablero. Para este contrapeso, el

macizo necesita de una gran peso, ya que es la única manera que este

elemento puede lograr un funcionamiento óptimo y resistir de gran manera,

por esto tiene tan grandes dimensiones para contrarrestar la componente

vertical de la tensión de los cables principales y dar una presión suficiente en

el nivel de la fundación, asegurando la transmisión de la componente

horizontal de la fuerza de los cables.

Como ya sabemos la geometría del macizo ayuda a soportar las cargas y

evitar desplazamientos y no sólo hacerlo con el peso de éste, ya que enalgunos casos es más económico hacer un macizo más grande y con

cavidades, que uno más pequeño y sólido. Es por esto que en macizos, como

el del puente Aizhai (figura 12), tiene una forma triangular con un hueco al

medio (Gimsing-Georgakis, 2012).

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Figura 12: Macizo puente Aizhai


Túnel de anclaje

Los túneles de anclaje como se muestra en la figura 13, se utilizan en estratos

de suelo más convenientes, como por ejemplo en roca. En este tipo de anclajese excava la roca o el suelo, la cual es rellenada de hormigón y se empotran

con barras de acero las zapatas en los cuales se anclan los torones del cable.

Las dimensiones de la excavación fundación va a depender del coeficiente de

roce que esté presente entre el hormigón, la roca y la geometría de la

fundación en la cual se requiere que exista un empuje pasivo sobre ella que

no permita deslizamientos.

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Figura 13: Tunel de anclaje


A modo de ejemplo, los anclajes que soportan la tensión de los cables en el

puente Akashi Kaikyo, fueron hechos de un hormigón de alta fluidez,

desarrollando específicamente para el puente, dicho hormigón no requiere

trabajo de compactación, esto incremento en gran forma la eficacia al fundir y

redujo el tiempo de construcción. Las bases de los anclajes en cada una de

las costas tienen distinta estructura geométrica siendo una de ellas circular y

la otra rectangular. Sus dimensiones son gigantescas, por ejemplo el anclaje

circular tiene diámetro de 85 metros y una profundidad de 63,5 metros siendo

la base de anclaje más grande del mundo.

A continuación en la tabla 1, se muestran diferentes macizos de anclaje para

ciertos puentes colgantes de gran trascendecia incluyendo al puente Chacao,

notando que el macizo de anclaje gravitacional es usado con mas frecuencia

para puentes colgantes de grandes dimensiones.

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PUENTE MACIZO DE ANCLAJE

Akashi Kaikyo gravitacional hundidos

Golden Gate gravitacionales

Aizhai Túnel y macizo

gravitacional

Taizhou gravitacionales

Chacao gravitacionales

Tabla 1: Macizos de anclaje, diversos puentes colgantes

Referencia: Elaboración propia

2.2.4 Sillas

Se define como silla (figura 14), la superficie formada por una doble curvatura,

una cóncava y otra convexa, cuyos puntos se cruzan en sentido

perpendicular. La silla es el elemento que conecta al cable principal con la

pila, por la cima de la silla el cable principal pasa continuamente de un vano

al otro (figura 15), transmitiendo las cargas del sistema de cables a las pilas,para luego estas ser las encargadas de transmitir la carga a las fundaciones.

Figura 14: Sillas

Referencia: (Duan, 2000)

La silla está fabricada de acero fundido o de hormigón, este elemento es

soportado por una viga corta longitudinal de la cual surgen vigas radiales que

forman la curvatura, el tamaño de la silla puede determinarse por la presión

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lateral admisible sobre los cables, la cual es una función del radio de la

curvatura de la silla.

Durante la construcción del puente, las sillas pueden ser diseñadas de forma

deslizante o fijas, para permitir el ajuste de la curvatura y de las tensiones de

los cables principales. Si inicialmente es deslizante es con el fin de que en

este periodo de construcción se quiere evitar que las fuerzas horizontales de

la tensión de los cables sobre la silla sean transferidas a la pila, por lo cual se

consigue que esta no se deforme, luego esta silla es fijada a la pila con pernos

de alta resistencia.

Existe una alternativa de esta silla deslizante y este es el método pull out enla que inicialmente las sillas estan fijas, en este método se calcula el

desplazamiento que inducirá el cable en la pila, mediante un sistema de

cables anclados a la pila y se tire de ella para lograr una deflexión, tal que,

cuando el proceso de colocación del cable finalice se restituya la posición de

la pila.

Figura 15: Diseño transversal silla


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2.2.4 Cable principal

Es un elemento de gran importancia para resistir las cargas externas en la

estructura de un puente colgante. El cable puede presentar diversas

configuraciones, pero todas ellas se basan en el empleo de alambres

delgados de alta resistencia agrupados para formar una sección circular. Así

mismo el principal elemento de un puente colgante esta suspendido de torres

y anclados en sus extremos. Los cables se fijan en los extremos del vano y

tienen la flecha necesaria para soportar mediante un mecanismo de tracción

pura las cargas que actúan sobre él. Este aparato debe ser bastante fuertepara soportar la vibración causada por los vehículos y ser resistentes al viento

como a su corrosión que afecta a este tipo de material, en el anexo B, se

encuntran los cuidados del cable para este problema.

La forma del cable coincidirá forzosamente con la línea generada por la

trayectoria de una de las posibles composiciones del sistema de fuerzas que

actúan sobre él. Es importante destacar que los cálculos para la curvatura del

cable generalmente se ha utilizado la parábola de segundo grado.

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Figura 16: Cable principal

Los cables de acero están compuestos por torones, cada uno de estos torones

están formados de alambres de acero de alta resistencia, los que se

encuentran en forma helicoidal alrededor de un alambre central del torón,

como se puede notar en la figura 17. Los alambres en el torón están colocados

en una forma geométrica definida y predeterminada.

Figura 17: Detalle de un cable


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Los cables de acero de alta resistencia son los elementos básicos de soporte

del puente.

Los más usados son los que se indican en la siguiente tabla 2:

Tabla 2: Principales tipos de cable ocupados en un puente colgante


A continuación se se nombran algunos cables y sus características (Villegas

2009):a) Cable de 7-Alambres (Torón)

Compuesto por 7 alambres de 5 mm de diámetro con una resistencia a la

tracción entre los 1770 y 1860 MPa, su módulo de elasticidad es sólo de un

6% a un 8% más bajo que los alambres solos, es decir, el modulo típico de

elasticidad es E=190 GPa.

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Figura 18: Cable de 7-alambres

Referencia: (Kashima, 2009)

b) Cables Helicoidales (Cable Espiral)

Estos son utilizados en cables principales como en péndolas. Los cables

helicoidales multi-alambres son fabricados por un sucesivo hilado de capas,

generalmente con giro del enrollado en sentido opuesto de la capa anterior,

partiendo de un alambre recto. El paso o giro del enrollado es pequeño en los

cables multi-alambre, por lo que la disminución de la rigidez es más

pronunciada que en el cable 7alambres.

El módulo de elasticidad nominal será un 15 – 25% más bajo que el valor de

alambres rectos. Un típico valor para este módulo es E = 170 GPa.

Figura 19: Cable espiral


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c) Cable cerrado o Locked – coil Strand

Compuesto por dos tipos de alambres, en el núcleo son alambres redondos

regulares formando un cable helicoidal, mientras que en las capas exteriores

van alambres de forma de Z, que nos entrega facilidad en el enrollado para

dejar una superficie sellada y comprimida, los cuales en combinación con el

efecto auto-compactado del cable helicoidal, asegura una superficie cerrada.

Es mas compacto que los otros cables y tiene una resistencia a la tracción de

1370 – 1570 MPa, lo cual es menor a la de los otros tipos de cables y su

módulo de elasticidad es de E = 180GPa, por lo que recae la rigidez en un

12%.

Figura 20: Cable cerrado


d) Cables de alambres paralelos

La disminución de la resistencia y rigidez asociada a la torsión de los cables

helicoidales promovió el desarrollo de cables con alambres paralelos

prefabricados.

En la práctica actual, los puentes colgantes se construyen con cables

principales compuestos por alambres de 5 mm a 5.5 mm. Estos alambres

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forman torones de 61, 91 y 127 alambres lo cual vendría siendo equivalente a

un cable menor o torón. Los cables se fabrican con alambres que forman un

patrón hexagonal.

Figura 21: Alambres de acero paralelo


2.2.5 Péndolas

La péndola es el elemento que puede ser vertical o inclinado (mejorar el

comportamiento aerodinámico según Sevem, Humber), cuyo extremo

superior se encuentra unido al cable principal y en el extremo inferior al

tablero, cabe destacar que en los puentes colgantes modernos comúnmente

se utiliza cables helicoidales, es importante siempre tener en consideración

los cuidados sobre la corrosión como se especifica en el anexo B.

Las péndolas o tensores con inclinación aumentan la variación de esfuerzos

debidos a la sobrecarga por lo que ya no se ocupan en puentes mayores, se

ha estudiado que esto trae problemas de fatiga, lo cual acorta su vida útil, porlo que en general se disponen verticales trabajando como bielas, es decir, son

rotuladas en ambos extremos evitando transferir momento flector, sólo cargas

axiales (Zegarra, 2007).

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A modo de ejemplo, los tirantes del Puente Akashi son verticales. Este es el

caso de todos los puentes colgantes de largo tramo después de la culminación

del Puente Humber en 1981. Sólo 3 puentes colgantes de gran tamaño tienen

tirantes inclinados: Humber, Bósforo, y Severn.

Figura 22: Pendolas

Referencia: (Escuela politecnica superior de Avila, 1999)

Existen básicamente dos arreglos para conectar las péndolas, el primero es

tripificado por el detalle usado en el puente de Forth Road, como se puede

notar en la figura 23, en este arreglo, la banda de cables tiene estrías para

acomodar las vueltas del cordel estructural sobre el cable principal. Debido a

la flexión de la péndola sobre el cable principal, se usa cordel estructural para

este, con el fin de aprovechar su flexibilidad.

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Figura 23: Detalle pendola, puente Foth Road


El segundo método para la conexión de las péndolas y que se usó en el puente

Hennepin, como se mustra en la figura 24, en este caso, las péndolas están

conectadas a la banda de cable mediante casquillos estándar con relleno de

zinc. Ya que no se requiere flexión de la péndola, este es generalmente un

torón estructural. Si se conectan en forma apropiada, los casquillos con relleno

de zinc fundido pueden desarrollar 100% de la resistencia de los torones y del

cordel de alambre.

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2.2.6 Tablero

Este elemento estructural es sujeto mayormente a fuerzas externas, ya que

las cargas de tráfico son aplicadas directamente sobre él y porque en la

mayoría de las veces las cargas muertas y el área de acción del viento es

mayor sobre el tablero que sobre el sistema de cables.

La función estructural del tablero es transportar las cargas muertas locales

entre los puntos de conexión de péndolas, ayudar al sistema de cables a llevar

las cargas globales y distribuir las fuerzas concentradas.

El tablero de un puente colgante debe ser bastante rígido y trabaja tanto a

flexión como a torsión, para prevenir la flexión ocasionada por los vehículos

mientras circulan por el puente y para evitar oscilación. Una de las

características del tablero es que debe ser tan ligero como sea posible,

teniendo en cuenta que debe conservar su rigidez y mantenerse estable ante

la presencia de vientos, ya que es el tablero quien soporta directamente las

cargas dinámicas y transmite las tensiones a pilas y estribos.

Los estudios sobre la estabilidad al viento de los grandes puentes colgantes

realizados a consecuencia del hundimiento del Tacoma, anexo… , llevaron a

dos concepciones distintas de los tableros:

- La primera consiste en seguir haciendo tableros con vigas trianguladas

pero dándoles la suficiente rigidez a flexión y torsión para que soporten los

efectos del viento. Esta solución fue adoptada por ingenieros americanos y

posteriormente la han continuado los japoneses.

- La segunda consiste en adoptar una sección en cajón cerrado de forma

aerodinámica, que reduce considerablemente los problemas de inestabilidad

y por ello el tablero requiere menos rigidez para ser estable. Con este sistema

las dimensiones y cantidad de acero del tablero son significativamente

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PUENTE Tablero

Akashi Kaikyo Continuo entre las dos pilas

Golden Gate Continuo entre las dos pilas

Aizhai Continuo entre las dos pilas

Puente Chacao (2006) Continuo entre la torre sur y el

estribo norte

Tabla 3: Tablero, diversos puentes colgantes


2.3 Esquema estático de un puente colgante

A medida que se está construyendo los puentes colgantes y en toda su vida

útil, están presentes los esfuerzos que solicitan a la estructura, en un puente

colgante la fuerza de tracción se localiza en los cables principales, como en

las péndolas que soportan al tablero y transfiere este esfuerzo al cable

principal, el cable luego traspasa el esfuerzo a las pilas, las que trabajan a

compresión, normalmente estas pilas son de hormigón ya que este es un

material que resiste fuertemente a compresión, no así a esfuerzos de tracción.

También nombraremos a la fuerza gravitatoria ya que en un puente colgante

se deberá soportar el peso a través de los cables provocando una tensión y

deberá ser mayor del otro extremo, al del peso del puente en los anclajes. Por

último está presente la fuerza cortante en piezas como vigas, el plano de

referencia suele ser un paralelo a la sección transversal (Gimsing-Georgakis,

2012).En los puentes colgantes, la carga viva vehicular es transmitida a su estructura

de soporte, la estructura de soporte vehicular transmite la carga viva y su

propio peso a las vigas transversales; las vigas transversales con sus cargas

a su vez se sustentan en los en las pendolas, y las cargas que sobre ellos

actúan, están soportados por los cables principales, los cables principales

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transmiten las cargas a las torres de suspensión; y por último las torres de

sustentación transfiere las cargas al suelo de cimentación. Claramente se

puede establecer una cadena en el funcionamiento de los puentes colgantes;

la falla de cualquiera de los eslabones mencionados significa la falla del

puente en su conjunto.

Tabla 4: Esquema estatico en un puente colgante


La estructura resistente básica está formada por los cables principales, que

se fijan en los extremos del vano, y tienen la flecha necesaria para soportar

mediante un mecanismo de tracción pura, las cargas que actúan sobre él.

El puente colgante es una estructura que resiste gracias a su forma; en este

caso salva una determinada luz mediante un mecanismo resistente que

funciona exclusivamente a tracción, evitando por su flexibilidad que aparezcan

flexiones en él. El montaje del cable principal debe salvar el vano entre las

dos torres y para ello hay que tenderlo en el vacío. Esta fase es la más

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complicada de la construcción de los puentes colgantes. Inicialmente se

montan unos cables auxiliares, que son los primeros que deben salvar la luz

del puente y llegar de contrapeso a contrapeso. La mayoría de los grandes

puentes colgantes están situados sobre zonas navegables, y por ello permite

pasar los cables iniciales con un remolcador; pero esto no es siempre posible.

Como el sistema de cargas de los puentes es variable porque lo son las cargas

de tráfico, los puentes colgantes en su esquema elemental son muy

deformables. Este esquema elemental consiste en el cable principal, las

péndolas, y un tablero sin rigidez, o lo que es lo mismo, con articulaciones en

los puntos de unión con las péndolas.El esquema clásico de los puentes colgantes admite pocas variaciones; los

grandes se han hecho siempre con un cable principal en cada borde del

tablero.

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Tabla 5: Mapa conceptual, Método constructivo


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2.4.1 SILLA

Construida toda la pila, en la parte superior de esta se monta la silla para luegoubicar sobre ella el cable continuo desde un vano al otro. La silla es la

encargada de recibir las cargas del cable principal y asi poder traspasarlas a

las pilas. La silla será prefabricada de acero la cual se elevara con grúa hasta

su lugar.

Mientras se posicionan segmentos de las vigas de rigidez, aparecen

momentos de flexión en la parte inferior de las pilas y de deflexión en la parte

superior de las pilas. La distribución de pesos de la viga en las pilas debe ser

liberada al ajustar la posición horizontal de sillas arriba de los pilas, esta es

una de la características importantes de la silla para el buen funcionamiento

del puente colgante (Wang, 2014).

Figura 25: Ajuste posición de la silla

Referencia: (Wang, 2014)

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La figura 25, muestra el ajuste de la posición de la silla para liberar las

deflexiones de los pilones al elevar las sillas. Este ajuste puede requerir varios

intentos durante la instalación de las vigas.

Ajuste de silla y liberación de la deflexión de pilón por el levantamiento de la

silla.

Jacking block: bloque de levantamiento

Initial offset saddle: ajuste inicial de la silla

Displaced and final position: posición desplazada y final

Central of pylon before displaced and after adjustment: central de pilón

antes de ser desplazado y luego del ajuste.

En el periodo de construcción del puente colgante estas sillas no siempre

estan fijas sino que algunas estarán sobre rodamientos y así poder permitir

los deslizamientos longitudinales del cable al hacerles los ajustes de

curvatura. Ya finalizada la construcción del cable, este se fija en su posición

final con pernos de alta resistencia. Las sillas más actuales vienen con placas

de recubrimiento longitudinal y transversal, esto es para la protección contrala corrosión.

2.4.2 Cable principal

El inicio en la construcción del cable principal, comienza por situar los cables

guías (usado para arrastrar un resistente cable de acero) para las pasarelas,el cual va de un macizo de anclaje a otro. Este cable guía puede ser instalado

mediante un bote por el agua, este iría de una orilla a otra desenrollando el

cable y elevándolo a la cima por una grúa y también se puede instalar llevando

el cable guía desde cada orilla hasta las pilas y otro cable desde una pila a la

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otra, elevándolos a la cima de estas mediante grúas y por ultimo cunado es

complicado geográficamente y por dificultades de detener el tráfico marítimo,

se instala el cable guía mediante un helicóptero, aca el cable tiene que tener

características especiales , como ser largo y resistente ya que en algunas

ocaciones hay que cubrir distancias largas.

Figura 26: Cable guía


Luego se colocan, por medio de un transportador de cables, varios cables

helicoidales de acero para el suelo de la pasarela, estos serán los que

soportaran el peso del resto de la estructura de la pasarela y los trabajos que

se realicen en ella. Lo importante de las pasarelas es que será la zona de

trabajo para acceder a la sección del cable que se quiera llegar, ya sea en la

instalación de las abrazaderas, montaje, compactación y envoltura del cable

de suspensión.

Se continua a instalar el piso cathuel de malla, el cual se empieza a construir

desde la cima de las pilas, deslizándose hacia los macizos de anclaje y hacia

el centro del vano principal del puente, una vez puesto este piso de trabajo,

son colocados los cables de mano que trabajaran como barandas. Cada cierto

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tramo las cuerdas de mano y el piso están conectadas por marcos de acero

en forma de U para otorgar cierta rigidez al sistema.

El cable principal es un cable constituido por una gran cantidad de alambres

haciendo imposible prefabricarlo como un único elemento, y luego colocarlo

de una vez, debido al gran peso y longitud, también su sistema de anclaje y

el ajuste de su curvatura.

Existen dos métodos para su construcción (Gimsing-Georgakis, 2012)

Air-spinning método (AS): desarrollado primero por John A. Roebling en el

siglo XIX, este método el cable se va construyendo alambre por alambre,

existe una polea de hilado, que es una rueda de acero que lleva los alambresde un extremo del puente al otro. La polea se conecta a los cables por encima

de la pasarela y es conducida por estos a través de los vanos desde un anclaje

hasta el otro. Para el paso de la polea sobre las pilas y las sillas de anclaje se

instalan rodamientos sujetos a la estructuras temporales de construcción de

estas, en la planta de trabajo de los equipos del método AS, se ubica la

maquina tensora del cable guía y el motor que hace que la polea de hilado

vaya y vuelva desde un anclaje hasta otro.

Los alambres que van pasando por debajo de la polea de hilado están

conectados al anclaje, estos alambres estacionarios se llaman ¨ alambres

muertos ¨, mientras que los alambres vivos o hilo conductor, son los que van

desde la rueda de hilado hasta una polea en el macizo de anclaje que lo

conecta con la torre de contrapeso donde se le entrega la tensión al alambre.

La polea de hilado al pasar por las sillas, se apoyan en rodamientos sobre

ella, permitiendo que la polea tenga un camino continuo, estos alambres, al

pasar por la silla de la cima de las pilas y de las sillas de distribución son

revisados por inspectores para asegurar que hayan quedado en el paquete

de alambres que se está formando (Wang, 2014).

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Después de que cada cable está preparado, debe ser ajustado. Cuando todos

los cables de un trenzado estén dispuestos, se unirán en forma de trenza.

Aparentemente, el método AS es simple y necesita menos equipamiento en

el lugar. Sin embargo, construir el cable uno por uno consume tiempo y el

proceso depende de las condiciones climáticas.

Figura 27: Esquema para el cable vivo durante el paso del cable en la silla, método AS


Como parte del método AS, existen dos métodos de construcción que varían

en el ajuste de la curvatura del cable (Gimsing, N, & Georgakis, K, 2012):

Método de alta tensión, acá los alambres se van poniendo con exceso de

tensión, con el objetivo de que queden con la curvatura final al momento de

montar el tablero y el método de baja tensión, es un método más reciente y

se realiza poniendo los alambres con un poco menos de tensión de la quesoportara cuando este terminando el cable. Esto se realiza para aliviar el

intenso trabajo de ajuste de la curvatura que se debe efectuar con el método

de alta tensión.

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Pre-fabricated strands (PS) o pre-fabricated parallel-wire strand method

(PPWS): Este método plantea la construcción del cable principal mediante

cables menores prefabricados llamados torones, que contienen más de cien

alambres paralelos de 5 mm, del largo de todo el cable principal desde un

macizo de anclaje hasta el otro.

Trasladados al sitio de obra, los torones se conectan a las maquinas

desenrolladoras al costado de un macizo de anclaje, para que sean puestos

uno por uno, tirando de el por un cordel de tracción (Wang, 2014).

El transportador de torones como se muestra en la figura 28, esta fijo al cable

guía, en este método el cable guía es tensado por una maquina tensora ypropulsado por un motor para que el transportador de los torones vaya y

vuelva de un anclaje a otro.

Figura 28: Transportador de torones


El primer torón que se instala es de prueba, el cual se le ajusta la curvatura

de diseño para que los siguientes se vayan de la misma forma, por esto el

ajuste del primer torón es de mucho cuidado.

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En comparación al método AS, el PPWS ahorra tiempo significativamente.

También se elimina el ajuste individual de cables. Dado que el trenzado fue

previamente formado en la fábrica, se puede controlar bien la calidad y rebajar

los costos

Para la ubicación de buena manera de los alambres y torones debemos poner

espaciadores verticales, los cuales son de forma temporal en los vanos, pero

en las sillas se dejan ya que previene la interferencia entre los torones en esta

zona, la cual se caracteriza pos grandes presiones laterales.

Otras características de estos espaciadores es que le entregan fricción a loscables, para que no se produzcan desplazamientos del cable al montaje del

tablero y a las cargas vivas.

Figura 29: Espaciadores verticales entre los torones den la silla de la pila

Referencia: (Wang, 2014)

A) Compactación del cable principal

Una vez ya construido el cable principal, independiente de su método, el cable

se necesita compactar. Esta compactacion se hace por medio de una gata

hidráulica que aprieta los torones, aca podemos notar que el cable pasa de

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ser un hexágono a un circulo. El grado de compactación depende de la

cantidad de vacíos en el cable, siendo el mínimo un 9.3%. El cable principal

queda compactado temporalmente mediante el apriete de una correa de acero

que se pone, generalmente, cada 0,75 metros.

Una vez terminada la compactación, se instalan las abrazaderas, estas se

elevan a la cima de la pila con las grúas trepadoras. Una vez en la cima, se

llevan a su posición a través de una grúa transportadora instalada en los

cables guías que pasan por los marcos. Estas abrazaderas se aprietan con

pernos de acero de alta resistencia, como el cable cambia de pendiente estasabrazaderas cambian su diseño, adecuándose a la sección del cable que se

encuentra, por lo que las abrazaderas cerca de las pilas tienen más pernos

para aumentar la fricción y el apriete al cable. Una vez puestas las

abrazaderas, el cable principal es envuelto por un alambre galvanizado de

sección circular, la función de este envoltorio es mantener la compactación

del cable y protegerlo de la corrosión, haciéndolo compacto y casi

impermeable.

Figura 30: Abrazadera puente Akashi Kaikyo

Referencia: (Kashima, 2009)

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Para terminar, la forma del cable de un puente colgante se aproxima más a

la de un cable cargado uniformemente sobre su proyección horizontal, es

decir, cargado sobre el tablero del puente; la curva que define un hilo flexible

cargado de esta manera es una parábola.

La curva del cable de un puente colgante es una combinación de la catenaria

(la catenaria es la curva que adopta un hilo flexible sometido a su propio peso),

porque el cable principal pesa y de la parábola, porque también pesa el

tablero, sin embargo la influencia del cable es mínima y por ello en los cálculosgeneralmente se ha utilizado la parábola. Cuando se obtienen las relaciones

necesarias de la fuerza en el cable, se supone que el cable es perfectamente

flexible y que este no se puede extender. Debido a su flexibilidad, el cable no

ofrece resistencia a la flexión y por lo tanto la fuerza de tensión que actúa en

el cable es siempre tangente a este en toda su longitud.

Puesto que el cable no se puede extender, este tiene una longitud constante

antes y después de que se aplica la carga. Como, su geometría permanece

fija, y el cable o un segmento de él puede tratarse como un cuerpo rígido.

Se consideran tres casos para el análisis de cables, según hibbeler

- Cable sujeto a cargas concentradas

- Cable sujeto a una carga distribuida

- Cable sujeto a su propio peso

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2.4.3 Péndolas

Las péndolas son pre-fabricadas, estas son elevadas mediante grúas y

después llevadas por las pasarelas a su lugar final por un portal deslizante a

través de los cables guías, con lo que se colgarían las péndolas de arriba

hacia abajo. También se pueden instalar con un dispositivo de elevación

desde los cables, con lo que las péndolas se colgarían de abajo hacia arriba.

Figura 31: Péndolas


Las péndolas de un puente colgante son perpendiculares al tablero y no

inducen ninguna fuerza horizontal sobre este. Excepto en los puentes

colgantes de auto anclaje, los cables principales llevan y transfieren cargas a

anclajes que están separados del puente. En este sentido, los puentes

atirantados son sistemas de auto anclaje (cables se pueden anclar en las

vigas de rigidez al final de los tramos laterales). Dado que las fuerzas

horizontales en los cables son transferidas al suelo en lugar de la viga, la viga

de rigidez no tendrá los efectos P-Delta como en los puentes atirantados y por

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Figura 32:Montaje del tablero desde el vano principal hacia las pilas

Referencia: (Gimsing-Georgakis, 2012)

Etapa 1: construcción de las fundaciones, encepados, estribos, las pilas y los

macizos de anclaje.

Etapa 2: construcción de los cables principales.

Etapa 3: se comienza a construir el tablero desde el centro de la luz del

puente. Cuando el peso de las secciones del tablero se va uniendo paso a

paso al cable principal, comienza a existir desplazamientos y cambios en la

curvatura del cable. Las uniones entre las secciones del tablero se dejan para

evitar excesivos esfuerzos de flexión en las vigas de la sección.

Etapa 4: comienza la construcción del tablero en los vanos laterales para

reducir los desplazamientos horizontales en la cima de las pilas.

Etapa 5: construcción de las secciones cerca de las pilas

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Etapa 6: cierre de las uniones del tablero (Gimsing-Georgakis, 2012).

Cuando un puente colgante se construye en este método de montaje del

tablero, desde la mitad del vano hacia las pilas, se hace simétricamente,

ocurriendo asimetrías sol

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