19Puentes atirantados

19.1 Introducción19.2 Configuración

Disposición general • Cables • Viga • Torre19.3 Diseño

Condición de Carga Permanente • Carga Viva • térmicaCargas • Cargas dinámicas

19.4 Superlong Spans19.5 Puentes atirantados Multirango19.6 Iluminación Estética19.7 Sumario

19.1 Introducción

Desde la finalización del puente Stromsund en Suecia en 1955, el puente atirantado se ha convertido en el tipo de puente más popular para los puentes de tramo largo. La variedad de formas y formas de cable- quedó puentes intrigas incluso los arquitectos más exigentes, así como ciudadanos comunes. Ingenieros encuentran técnicamente innovadora y desafiante. Para luces de hasta aproximadamente 1.000 m, puentes atirantados son más económicos.El concepto de un puente atirantado es simple. Un puente lleva cargas principalmente verticales que actúan sobre la viga, Figura 19.1. Los tirantes proporcionan apoyos intermedios para la viga de modo que puede abarcar una larga distancia. La forma estructural básica de un puente atirantado es una serie de triángulos superpuestos que comprende el pilón, o la torre, los cables, y la viga. Todos estos miembros están bajo fuerzas predominantemente axiales, con los cables bajo tensión y tanto el pilón y la viga bajo compresión. Miembros cargados axialmente son generalmente más eficientes que los miembros de flexión. Esto contribuye a la economía de un puente atirantado.En el último recuento, hay cerca de 600 puentes atirantados del mundo y el número está aumentando rápidamente. La longitud del tramo también ha aumentado significativamente [2,7].Algunos hitos: el Puente Stromsund en Suecia, terminado en 1955 con un vano principal de 183 m por lo general se reconocen como primer puente atirantado importante del mundo; el Puente Knie (320 m) y el Puente Neuenkamp (350 m) en Alemania, Figura 19.2, Fueron los tramos más largos de la década de 1970, hasta que el Annacis Isla-Alex Puente Fraser (465 m) se completó a mediados de 1980. El lapso de 602-m-Puente Yangpu fue un gran paso adelante en 1994, pero fue superado en aproximadamente la mitad de un año por el puente de Normandía (856 m), Figura 19.3. El Puente Tatara, con un vano central de 890 m, es el récord del mundo en la actualidad. Varios tramos en el rango de 600 m están en construcción. Se están planificando tramos más largos.

FIGURA 19.1 Concepto de un puente atirantado.

FIGURA 19.2 Puente Neuenkamp.

FIGURA 19.3 Puente de Normandía.

FIGURA 19.4 Fuerzas de cable en relación a la carga de la viga.

19.2 Configuración

19.2.1 Disposición general

En la primera fase, la idea de un puente atirantado era utilizar suspensión del cable para reemplazar los muelles como soportes intermedios para la viga de modo que pudiera abarcar una distancia más larga. Por lo tanto, a principios de cable- puentes alojado cables colocados muy separados unos de otros sobre la base de la fuerza máxima de la viga. Esto dio lugar a vigas más bien rígida que tenían que atravesar la gran separación entre cables, además de resistir las fuerzas globales.El comportamiento de una viga de atirantado puede ser simulado por una viga de aproximadamente soportado elásticamente. El momento de flexión en la viga bajo una carga específica puede ser pensado como que consiste en un componente local y un componente global. El momento de flexión local entre los cables es proporcional al cuadrado de la distancia. El momento de flexión global de una viga apoyada elásticamente es aproximadamente [5]

(19.1)

donde a es un coeficiente en función del tipo de carga p, I es el momento de inercia de la viga, y k es la constante elástica de soporte derivado de la rigidez del cable. El momento mundial disminuye a medida que la rigidez de la viga, I, disminuye.Teniendo en cuenta que la función de los cables es llevar las cargas sobre la viga del puente, que sigue siendo el mismo, la cantidad total de cables requerido para un puente es prácticamente el mismo independiente del número de cables, o el espaciamiento cable, Figura 19.4. Pero si el espaciamiento de cable es más pequeño, el momento de flexión local de la viga entre los cables también es menor. Una reducción del momento de flexión local permite la viga para ser más flexible. Una viga más flexible atrae a su vez menos importancia global. En consecuencia, una viga muy flexible se puede utilizar con cables muy próximas entre sí en muchos puentes atirantados modernas. El puente de Talmadge, Savannah, Figura 19.5, Es 1,45 m de profundidad por un lapso de 335 m, La ALRT Skytrain Puente, Vancouver, Figura 19.6, Es 1,1 m de profundidad durante un lapso de 340 m, y el diseño del puente de Portsmouth tenían una viga de 84 cm de profundidad por una duración de 286 m.Debido a que la viga es muy flexible, las cuestiones relativas a la estabilidad de pandeo de vez en cuando surgieron al principio. Sin embargo, tal como se formula por Tang [4], La ecuación. (19.2), utilizando el método de energía,

(19.2)

donde E es el módulo de elasticidad, I es el momento de inercia, A es el área, L es la longitud, w es la deflexión, y ()` es derivada con respecto a la longitud s. La carga de pandeo depende más de la rigidez de los cables que en la rigidez de la viga. Teóricamente, incluso si la rigidez de la viga se descuida, un puente atirantado todavía puede ser estable en la mayoría de los

casos. La experiencia demuestra que, incluso para la viga más flexible, la carga crítica contra pandeo elástico es más de 400% de las cargas reales del puente.

FIGURA 19.5 Puente Talmadge.

FIGURA 19.6 ALRT Puente de Skytrain.

FIGURA 19.7 Arreglos de cable.

El requisito de diseño adoptada recientemente que todos los cables sean reemplazables individualmente hace que los cables estrechamente espaciados más deseable. Por lo general, se requiere que un cable puede ser destensado, desmantelado y reemplazado bajo la reducida carga de tráfico. El momento de flexión adicional en la viga no aumentar excesivamente si el espaciamiento de cable es pequeña.La disponibilidad de ordenadores cada vez más potentes también ayuda. La complejidad del análisis aumenta a medida que el número de cables aumenta. El equipo ofrece a los ingenieros la mejor herramienta para hacer frente a este problema.Arpa, radial, ventilador, Figura 19.7, Se han utilizado u otras configuraciones de cable. Sin embargo, excepto en las estructuras palmo muy largos, la configuración del cable no tiene un efecto importante sobre el comportamiento del puente.

A disposición de cable de tipo arpa ofrece un aspecto muy limpio y delicado debido a una serie de cables paralelos aparecerá siempre en paralelo con independencia del ángulo de visión. También permite un inicio más precoz de la construcción de la viga debido a que los anclajes de cable en la torre comienzan a una elevación menor.

FIGURA 19.8 Puente Nord.

FIGURA 19.9 Puente Ludwighafen.

El puente de Hoechst y el puente Dames Point son ejemplos que utilizaron en su totalidad esta ventaja.Una disposición de cable de tipo ventilador también puede ser muy atractivo, especialmente para un sistema de cable de un solo plano. Debido a que las pistas de cable son más empinadas, la fuerza axial en la viga, que es una acumulación de todos los componentes horizontales de las fuerzas de cable, es menor. Esta característica es ventajosa para puentes de tramo más largo, donde la compresión de la viga puede controlar el diseño.El puente de Nord, Bonn, Figura 19.8, Es uno de los primero de este tipo.Una disposición radial de cables con todos los cables anclados en un punto común en la torre es bastante eficiente. Sin embargo, un buen detalle es difícil de lograr. A menos que sea bien tratado, puede parecer torpe. El puente Ludwighafen, Alemania, Figura 19.9 es un ejemplo exitoso. El Puente Yelcho, Chile, con todos los cables anclados en un plano horizontal en la parte superior de la torre, es una solución excelente, tanto técnica como estéticamente.Cuando el puente Stromsund fue diseñado, puentes de tramo largo eran el dominio de la construcción de acero. Por lo tanto, la mayoría de los puentes atirantados tempranos eran estructuras de acero. Conservaron características notables de otros tipos de puentes de acero de tramo largo.

En la década de 1960, Morandi diseñado y construido varios puentes atirantados de hormigón relativamente largo palmo. Sus diseños solían tener unos cables en un lapso con puntal adicional apoya en las torres de la viga. Ellos no utilizan plenamente las ventajas de un sistema de atirantado. El cable- quedado puente de hormigón en su forma moderna comenzó con el puente de Hoechst en Alemania, seguido por el Puente Brotone en Francia y el puente Dames Point en los Estados Unidos, cada uno representando un avance significativo en el estado del arte.

FIGURA 19.10 Un cable inclinado.

19.2.2 Cables

Los cables son los elementos más importantes de un puente atirantado. Ellos llevan la carga de la viga y la transfieren a la torre y el anclaje del cable de back-estancia.Los cables en un puente atirantado están inclinados, Figura 19.10. La rigidez real de un cable inclinado varía con el ángulo de inclinación, una, el peso total de cable, G, y la fuerza de tensión del cable, T [3]:

(19.3)

Donde E y A son el módulo de Young y el área de la sección transversal del cable. Y si la tensión del cable T cambia de T1 a T2, la rigidez del cable equivalente serán

(19.4)

En la mayoría de los casos, los cables se tensan a aproximadamente 40% de su resistencia a la rotura en condiciones de carga permanente. Bajo este tipo de tensión, la rigidez del cable efectiva se acerca a los valores reales, a excepción de los cables de gran longitud. Sin embargo, la tensión en los cables puede ser bastante baja durante algunas etapas de construcción por lo que su eficacia debe ser considerado correctamente.Un factor de seguridad de 2,2 se recomienda generalmente para los cables. Esto resulta en un esfuerzo admisible de45% de la resistencia a la tracción garantizada (GUTS) bajo cargas muertas y vivas [9]. Es prudente tener en cuenta que la tensión admisible de un cable debe tener en cuenta muchos

factores, siendo el más importante la fuerza del conjunto de anclaje que es el punto más débil de un cable con respecto a la capacidad y el comportamiento de fatiga.Se han producido avances significativos en el sistema de cable estancia. Cables tempranas eran hebras helicoidales principalmente cierres patronales. En ese momento, la cadena de bloqueo de la bobina fue el único sistema de cable disponibles que podrían cumplir con los requisitos más exigentes de los puentes atirantados.Con los años, muchos sistemas de cables nuevos se han utilizado con éxito. Cables de alambre paralelos con tomas Hi-Am se utilizaron por primera vez en 1969 en el Puente de Schumacher en Mannheim, Alemania. Desde entonces, la técnica de fabricación se ha mejorado y este tipo de cable es todavía uno de los mejores cables disponibles en el mercado hoy en día. Un socket Hi-Am tiene una carcasa de acero cónica. Los hilos son paralelos para toda la longitud del cable. Cada alambre está anclado a una placa en el extremo del zócalo por una cabeza de botón. El espacio en el zócalo se rellena con epoxi mezclado con zinc y pequeñas bolas de acero.Los cables de alambre paralelo Hi-Am son prefabricados a la medida exacta en el patio y transportados al sitio en bobinas. Debido a que los cables son paralelos y, por tanto, todos de igual longitud, el cable puede a veces experimentan dificultades para enrollar. Esta dificultad puede ser superada por torsión del cable durante el proceso de bobinado. Para evitar este problema en conjunto, los cables pueden fabricarse con una larga parada. Sin embargo, la larga laico puede causar un cable muy corto se tuerza durante hincapié.Threadbar tendones se utilizaron para algunos tirantes. La primera fue para el Puente de Hoechst sobre el río Main en Alemania. El puente de Penang y el puente Dames Point también tienen cables de barras. Todos ellos tienen un tubo de acero con lechada de cemento como protección contra la corrosión. Su rendimiento ha sido excelente.El tipo más popular de cable de hoy en día utiliza hebras de siete hilos. Estos filamentos desarrollados originalmente para aplicaciones de hormigón pretensado, ofrecen una buena manejabilidad y economía. Pueden ser fabricada en taller o sitio-fabricados. En la mayoría de los casos, protección contra la corrosión es proporcionado por un tubo de polietileno de alta densidad llena con lechada de cemento. La técnica de la instalación ha progresado hasta un punto donde un par de cables puede ser erigido en el sitio en 1 día.En busca de una mejor protección contra la corrosión, especialmente durante la etapa de construcción antes de que se lechada los cables, todos se han propuesto y utilizado varias alternativas, tales como revestimiento epoxi, galvanizado, cera y grasa. Recubrimiento adecuado de hebras debe llenar completamente los huecos entre los cables con inhibidor de corrosión. Esto requiere que los cables a aflojarse antes de que el proceso de recubrimiento se lleva a cabo y, a continuación retwisted en la configuración de hebra.Además de epoxi, grasa, o galvanización, las hebras pueden ser enfundadas individualmente. Una hebra galvanizado forrado puede tener cera o grasa en el interior del revestimiento. Los tres tipos de protección adicional parecen ser aceptable y deberían funcionar bien. Sin embargo, un récord de rendimiento a largo plazo no está disponible todavía.El elemento más importante de un cable es el anclaje. En este sentido, la toma Hi-Am tiene un récord de rendimiento excelente. Cables Strand con tomas en condiciones de servidumbre, de forma similar a la toma Hi-Am, también han funcionado muy bien. En un anclaje no unido recientemente introducido, todos los hilos están llevando a cabo en su lugar sólo mediante

cuñas. Las pruebas han confirmado que dichos anclajes se reúnen mentos del diseño requisito. Pero cuñas de hebra no adherentes son elementos estructurales delicados y son susceptibles a la con- desviaciones cons-. Se debe tener cuidado en el diseño, la fabricación y la instalación si un anclaje como se va a utilizar en un puente atirantado. La ventaja de un sistema de cable sin unir es que el cable, o hebras individuales, se pueden sustituir con relativa facilidad.Pruebas de anclaje de cable han demostrado que, en un anclaje unido, menos de la mitad de la tensión cíclica se transfiere a las cuñas. El resto se disipa a través del relleno y en el anclaje directamente por bonos. Esto es ventajoso con respecto a la fatiga y la sobrecarga."Recomendaciones para la estancia Cable Diseño y Pruebas", del Instituto postesado [9] fue publicado en 1986. Se trata de los primeros criterios reconocidos de manera uniforme para el diseño de los cables. En conjunto con la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles '"Pautas para el Diseño de Puentes-permanecido por cable" [10], Dan ingenieros una base muy necesaria para comenzar su diseño.Ha habido varias sugerencias para utilizar materiales compuestos tales como fibra de carbono, etc., como estancias y pequeños prototipos se han construido. Sin embargo, la aplicación comercial real todavía requiere más investigación y desarrollo.

19.2.3 Viga

Aunque el puente Stromsund tiene una cubierta de hormigón, la mayoría de los puentes atirantados primeros tienen una cubierta ortotrópico. Esto es debido a que tanto el puente atirantado y la cubierta ortotrópico se introdujeron a la industria de la construcción o menos al mismo tiempo. Su matrimonio era lógico. El hecho de que casi todos los puentes de tramo largo fueron construidas por las empresas siderúrgicas en ese momento hizo tal elección más comprensible.Una cubierta ortotrópico adecuadamente diseñado y fabricado es una buena solución para un puente atirantado. Sin embargo, con el aumento de los costos laborales, la cubierta ortotrópico vuelve menos atractivo comercialmente, excepto para tramos muy largos.Muchos puentes atirantados de hormigón se han completado. En general, se han producido dos acontecimientos importantes: la construcción colado en el lugar y de la construcción prefabricado.

FIGURA 19.11 Formulario viajero del puente Dames Point.

FIGURA 19.12 Sol Skyway Bridge - Caja prefabricado y montaje.

Fundido en el lugar de la construcción de puentes atirantados es un desarrollo del método de construcción en voladizo sin puentes de caja viga. La construcción típica es por medio de un viajero formulario. La viga cajón es una forma popular para la viga en estructuras tempranas, como el Puente de Hoechst, los Barrios de Luna Puente, y el puente de Waal. Pero secciones transversales más simples han demostrado ser atractiva: la disposición de viga y losa en el puente de Penang, el puente Dames Point, y el puente de Talmadge, o la sección transversal losa maciza como en el Puente Yelcho, el Puente de Portsmouth y el Diepold- Puente sau son a la vez técnicamente sólida y económica. Utilice el formulario de nuevo desarrollo que viaja por cable-apoyado, Figura 19.11, Hace que este tipo de viga mucho más económico para construir [8].Construcción prefabricado puede permitirse una sección transversal ligeramente más complicado porque prefabricación se hace en el patio. Los segmentos, sin embargo, todos deben ser similares a evitar un ajuste en las formas de prefabricación. El peso del segmento está limitada por la capacidad de transporte de los equipos utilizados. Box es la sección transversal preferido debido a que es más rígida y más fácil de erigir. El puente Brotonne, el puente Sunshine Skyway, Figura 19.12Y la bahía de Chesapeake y Delaware Puente Canal son buenos ejemplos. Sin embargo, varios puentes atirantados viga flexible, se han completado con éxito, especialmente el Puente de Pasco-Kennewick, el puente del este de Huntington, y el Puente ALRT Skytrain.Como la tecnología avanza de concreto, puentes de hoy atirantados pueden considerar el uso de concreto de alta resistencia ligera de la viga, especialmente en las zonas sísmicas de alto.Aunque la cubierta de acero ortotrópico es demasiado caro para la construcción en la mayoría de los países en este momento, la cubierta de material compuesto con una losa de hormigón sobre un marco de acero puede ser muy competitivo. En el puente de Stromsund, la cubierta de hormigón no se hizo compuesto con la viga de acero. A CIÓN Dicha construcción no es económico, porque la fuerza de compresión axial en la viga debe ser tomado en su totalidad por la viga de acero. Hacer el compuesto de la cubierta con la viga de acero por los pernos prisioneros de corte reduce la cantidad de acero de la viga de manera significativa.

FIGURA 19.13 Baytown-Laporte y Yang Pu Bridge.

El esfuerzo de compresión en el tablero de hormigón también mejora el rendimiento de la losa de cubierta. El puente Hootley fue el primer puente compuesto importante diseñado, pero el puente Annacis Isla se terminó primero. El Pu puente Yang es el tramo más largo de hoy. El Puente de Baytown-LaPorte, Figura 19.13, Cuenta con el área de la terraza más grande.Paneles de losa prefabricada se utilizan generalmente para puentes mixtos. Exigir a los paneles prefabricados para ser almacenado por un período de tiempo, digamos, 90 días, antes de la erección reduce el efecto de fluencia y retracción de manera significativa. Los paneles prefabricados son soportados por vigas de piso y las vigas de borde durante la erección. Los huecos entre los paneles se llenan con nonshrinking hormigón. El detalle de estas juntas de cierre debe ser ejecutado cuidadosamente para evitar el agrietamiento debido a la contracción y otras tensiones.La mayoría de las partes de la viga están bajo alta compresión, que es bueno para los miembros de hormigón. Sin embargo, las tensiones de tracción pueden ocurrir en la porción media del tramo centro y en ambos extremos de los tramos finales. Post-tensado se utiliza por lo general en estas áreas para mantener el hormigón bajo compresión.Varias estructuras híbridas, con luces laterales de hormigón y vano principal de acero, como el Puente Flehe, Alemania y el puente de Normandía, se han completado. Hay dos razones principales para la combinación híbrida: tener más pesado, lado más corto se extiende para equilibrar el vano principal más largo o para construir la parte abarca la misma manera que los enfoques de conexión. La transición, sin embargo, debe ser detallado con cuidado para evitar problemas.

19.2.4 Torre

Las torres son los elementos más visibles de un puente atirantado. Por lo tanto, las consideraciones estéticas en el diseño de la torre es muy importante. En términos generales,

debido a la enorme tamaño de la estructura, una configuración limpia y sencilla es preferible.

FIGURA 19.14 Formas Tower - H (Talmadge), Y invertida (Flehe), diamantes (Glebe), doble diamante (Baytown), y configuración especial (Dan Chiang).

Las torres exentas del Puente Norte y el Puente Knie un aspecto muy elegante. Las torres H del Puente Annacis, el Puente Talmadge, y el Pu Puente Nan son la forma más lógica estructural de un puente atirantado de dos planos, Figura 19.14. La forma A (como en el puente del este Hungtington), la Y invertida (como en el puente de Flehe), y la forma de diamante (como en el Baytown-Laporte y Yang Pu Bridges) son excelentes opciones para grandes luces puentes atirantados con cubiertas muy flexibles. Otras variaciones en la forma de la torre son posibles siempre que sean económicamente viables. En circunstancias especiales, las torres también pueden servir como lugares de interés turístico, como el propuesto por el puente de Dan Chiang en Taiwán.

FIGURA 19.15 Cruzando los cables en la columna torre.

Aunque atirantados puentes primeros tienen torres de acero, la mayoría de las construcciones recientes tienen torres de hormigón. Debido a que la torre es un miembro de compresión, el concreto es la opción lógica, excepto bajo condiciones especiales como en las zonas altas del terremoto.Cables están anclados en la parte superior de la torre. En general, existen tres conceptos para anclajes de cable en la torre: entrecruzamiento, muerto composición, y la silla de montar.Puentes atirantados primeros tomaron sus detalles de anclaje de puentes colgantes que tienen las sillas de montar. Esas sillas eran del rodillo, fijo o tipo de sector. Sillas de montar de tipo de rodillos tienen un rodillo en la base similar a un cojinete de puente. Monturas de tipo fijo son similares, excepto la base se fija en lugar de la rodadura. Monturas de tipo Sector giran alrededor de un eje. Cada una de estas sillas de montar satisface una condición conjunto de contornos diferentes en el sistema estructural. Hebras de cable, básicamente lock-bobina hebras, se colocaron en el canal de silla como en un puente colgante. Para asegurar que las hebras no se deslizan bajo tensión desigual, una placa de cubierta está generalmente sujeta a la bandeja silla de montar para aumentar la fricción. Esta presión transversal aumenta la fricción, pero reduce la fuerza del cable. Este tipo de silla de montar es muy caro y no ha sido utilizado durante los últimos puentes atirantados.Un tipo diferente de la silla de montar se utilizó en el Puente Brotonne y el puente Sunshine Skyway. Aquí las hebras de siete hilos fueron agrupados en un cable y luego se retiró a través de un tubo de silla de montar de acero que se fija a la torre. Lechada el cable fijado las hebras a la tubería de la silla de montar. Sin embargo, la presión de contacto muy alto entre los cables de cadena debe ser cuidadosamente considerado y tratado en el diseño. Debido a que los cables exteriores de una hebra se enrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central rey recta, las hebras en un descanso silla curvada sobre la otra con contactos puntuales. La presión de contacto creado por la fuerza radial de las hebras curvadas bien puede exceder el límite de elasticidad de los alambres de acero. Esto puede reducir la resistencia a la fatiga del cable de manera significativa.Cruzando los cables en la torre es una buena idea en un sentido técnico. Es seguro, simple y económico. La dificultad está en la geometría. Para evitar la creación de momento de torsión en la columna de la torre, los cables de la tramo principal y el lapso lado deben ser anclados en la torre en el mismo plano, Figura 19.15. Esto, sin embargo, es físicamente imposible si se entrecruzan entre sí. Una solución es utilizar cables dobles para que puedan pasar uno al otro en un patrón simétrico como en el caso del puente de Hoechst. Si se utilizan torres A-forma o en forma de Y invertida, los dos planos de cables también pueden estar dispuestos en un

patrón simétrico.Si la sección transversal de la torre es una caja, los cables pueden ser anclados en la parte delantera y la pared trasera de la torre, Figura 19.16. Post-tensado de tendones se utilizan para pretensar las paredes para transferir las fuerzas de anclaje de una pared de extremo a la otra. Los tendones pueden ser tendones de bucle que se envuelven alrededor de tres paredes laterales a la vez o tendones rectos simples en cada pared lateral de forma independiente. El Talmadge, Baytown-LaPorte, y Yang Pu Puentes todos emplean un detalle tan anclaje. Durante el diseño del puente Yang Pu, se hizo un modelo a escala real para confirmar el rendimiento de un detalle tales.Como alternativa, algunos puentes tienen los cables anclados a un elemento de acero que conecta los cables de ambos lados de la torre. El elemento de acero puede ser una viga o una caja. Debe ser conectado a la torre de hormigón por los pernos prisioneros de cizalla u otros medios.

FIGURA 19.16 Diseño tendón en la zona de anclaje.

Este detalle de anclaje simula la función de la silla de montar. Sin embargo, los cables en los lados opuestos son cables independientes. Por tanto, el diseño debe considerar la condición de carga cuando existe un solo cable.

19.3 Diseño

19.3.1 Condición de Carga Permanente

Un puente atirantado es una estructura altamente redundante, o estáticamente indeterminada. En el diseño de una estructura tal, el tratamiento de la condición de carga permanente es muy importante. Esta condición de carga incluye toda la carga muerta estructural y superpuesta actuación carga muerta sobre la estructura, todos los efectos de pretensado, así como todos los momentos y las fuerzas secundarias. Es la condición de carga cuando todas las cargas permanentes actúan sobre la estructura.Debido a que el diseñador tiene la libertad para asignar un valor deseado para cada desconocido en una estructura estáticamente indeterminada, los momentos de flexión y fuerzas bajo condición de carga permanente pueden ser determinado únicamente por las exigencias de equilibrio, ΣH = 0, ΣV = 0, y ΣM = 0. La rigidez de la estructura no tiene ningún efecto en este cálculo. Hay un número infinito de combinaciones posibles de las condiciones de carga permanentes para cualquier puente atirantado. El diseñador puede seleccionar el que es más ventajoso para el diseño cuando se consideran otras cargas.

Una vez que la condición de carga permanente se establece por el diseñador, la construcción tiene que reproducir esta condición final. Análisis de la etapa de construcción, que comprueba las tensiones y la estabilidad de la estructura en todas las etapas de la construcción, parte de esta última condición seleccionada hacia atrás. Sin embargo, si la estructura es de hormigón o de material compuesto, la fluencia y efecto de contracción deben calcularse en un cálculo hacia adelante a partir del inicio de la construcción. En tales casos, el cálculo es una combinación de hacia adelante y hacia atrás las operaciones.El análisis etapa de construcción también proporciona la curvatura requerida de la estructura durante la construcción.

19.3.2 Carga Viva

Tensiones en vivo de carga se determinan principalmente por la evaluación de líneas de influencia. Sin embargo, la tensión en un lugar determinado en un puente atirantado es generalmente una combinación de varios componentes de fuerza. El estrés, f, de un punto en la brida inferior, por ejemplo, se puede expresar como:

(19.5)

donde A es el área de sección transversal, I es el momento de inercia, y es la distancia desde el eje neutro, y C es un coeficiente de influencia de estrés debido a la fuerza K cable anclado en los alrededores. P es la fuerza axial y M es el momento de flexión. La ecuación anterior se puede reescribir como

(19.6)

donde las constantes a1, a2, a3 y dependen de la anchura efectiva, la ubicación del punto, y otras configuraciones geométricas globales y locales. Bajo carga viva, los términos P, M y K son líneas de influencia individuales. Por lo tanto, f es una línea de influencia combinada obtenida por la suma de los tres términos multiplicados por las constantes a1, a2, y a3 correspondiente, respectivamente.En lugar de las líneas de influencia combinados, algunos diseños sustituto P, M y K con valores extremos, es decir, máximos y mínimos de cada uno. Este cálculo suele ser conservador, pero no presenta la imagen real de la distribución de tensiones en la estructura.

19.3.3 Cargas térmicas

La temperatura diferencial entre los diversos miembros de la estructura, especialmente que entre los cables y el resto del puente, debe ser considerado en el diseño. Cables negros tienden a calentar y se enfriaron mucho más rápido que las torres y la viga, creando así una diferencia significativa de la temperatura. Cables de color claro, por lo tanto, son generalmente preferidos.Orientación del puente hacia el sol es otro factor a considerar. Una cara de las torres y algún grupo de cables que se enfrenta el sol puede ser calentado mientras que el otro lado está en la

sombra, provocando un gradiente de temperatura a través de las columnas de la torre y la temperatura diferencial entre los grupos de cables.

19.3.4 Las cargas dinámicas19.3.4.1 Comportamiento Estructural

La viga de un puente atirantado es generalmente apoyada en las torres y los muelles finales. Dependiendo del tipo de rodamiento o soportes utilizado, el comportamiento dinámico de la estructura puede ser muy diferente. Si se utilizan soportes muy suaves, la viga actúa como un péndulo. Su frecuencia fundamental será muy bajo. Rigidez hasta los soportes y los cojinetes puede aumentar la frecuencia de manera significativa.Sísmica y la aerodinámica son las dos principales cargas dinámicas que deben ser considerados en el diseño de puentes atirantados. Sin embargo, a menudo tienen demandas contradictorias sobre la estructura. Para aero- estabilidad dinámica se prefiere una estructura más rígida. Pero para el diseño sísmico, excepto si el puente se basa en suelo muy blando, un puente más flexible tendrá menos respuesta. Se requiere algún compromiso entre estas dos exigencias.Debido a que la forma en que estos dos cargas dinámicas excita la estructura es diferente, los dispositivos mecánicos especiales se pueden utilizar para ayudar a la estructura para ajustarse a ambas condiciones de carga. Respuestas aerodinámicas acumulan lentamente. Para este tipo de carga de las fuerzas en las conexiones necesarias para reducir al mínimo la acumulación de vibraciones son relativamente pequeñas. Los terremotos ocurren de repente. La respuesta será especialmente súbita si el movimiento sísmico también contiene grandes aventuras. En consecuencia, un dispositivo que conecta la viga y la torre, lo que puede romper a una cierta fuerza predeterminada ayudará en ambos eventos. En virtud de las acciones aerodinámicas, se suprime la aparición de las vibraciones como la conexión hace que la estructura más rígida. Bajo carga sísmica, la conexión se rompe en la carga predeterminada y la estructura se vuelve más flexible. Esto reduce la frecuencia fundamental del puente.

19.3.4.2 Diseño Sísmico

La mayoría de los puentes atirantados son relativamente flexibles con períodos fundamentales largos en el intervalo de 3,0 s o más. Sus respuestas sísmicas por lo general no son muy significativo en la dirección longitudinal. En la dirección transversal, las torres son similares a un edificio de gran altura. Sus respuestas también son manejables.La experiencia demuestra que, excepto en las zonas sísmicas extremadamente altas, carga terremoto rara vez controla el diseño. Por otro lado, porque la mayoría de los puentes atirantados se clasifican como estructuras principales, que suelen ser necesarios para ser diseñado para cargas sísmicas más severas que las estructuras regulares.Varias medidas se han utilizado para reducir la respuesta sísmica de los puentes atirantados [1]. Se extienden de un amortiguador de choque simple con un cilindro hidráulico que se congela en movimiento rápido, a diferentes tipos de amortiguadores de fricción. Dejar que la oscilación viga de puente para una cierta distancia como un péndulo es otra manera eficaz de reducir la respuesta sísmica. Esto es especialmente eficaz para los movimientos fuera de fase.

Debido a que muchos vanos atirantados están en el rango de las longitudes de onda media de movimientos sísmicos, el movimiento fuera de fase puede crear muy grandes reacciones en la estructura. Una viga parcialmente flotante se encuentra a menudo a ser muy ventajosa.

19.3.4.3 Aerodinámica

Estabilidad aerodinámica de puentes atirantados era una gran preocupación para muchos ingenieros de puentes en los primeros años. Esto fue probablemente debido a los puentes atirantados son extremadamente delgados. Las lecciones aprendidas de los problemas aerodinámicos en puentes colgantes llevan ingenieros que preocuparse puentes atirantados.En realidad, los puentes atirantados, especialmente los puentes atirantados de hormigón, se han encontrado para ser sorprendentemente estable aerodinámicamente. Aunque la predicción de que los puentes atirantados no podían vibrar seriamente bajo el viento debido a la interferencia de los diferentes modos no relacionados que existen en una estructura de este tipo no era correcta, se encontraron muy pocos puentes atirantados de ser susceptible a la acción del viento después de la construcción. El comportamiento aerodinámico superior de los puentes atirantados es una de las razones para esto. Pero las lecciones aprendidas de puente colgante han educado a muchos ingenieros para que sean conscientes de los problemas aerodinámicos y pueden identificar las secciones preferidas contra las acciones de viento. El ancho de la cubierta más amplia de la mayoría de los puentes atirantados modernos también hace que la estructura más estable.Varios puentes hicieron requerir un tratamiento especial contra la acción aerodinámica. La Isla Puente Annacis añadió viento carenado con el tramo principal; el puente de Quincy añadió placas verticales de la viga, además de carenados horizontales. Longs Creek Bridge tiene una nariz viento cónico en cada lado de la viga.Durante el diseño del puente de Knie en la década de 1960, se realizó un estudio de túnel de viento para buscar una buena solución para aumentar la estabilidad aerodinámica del puente en caso de que se encontraron sus respuestas a ser inaceptable. Entre las diversas alternativas, la nariz afilada era la opción más eficiente. Esta misma idea ha sido utilizado en muchos puentes atirantados y puentes colgantes desde entonces.Aunque un puente atirantado es mayormente estable en su estado final, es a menudo vulnerables durante las etapas de construcción. Durante la construcción del puente de Knie, se añadió arriostramiento inferior para proporcionar la rigidez a la torsión requerida en la viga para eliminar posibilidad aleteo. La mayoría de los puentes atirantados de alto nivel en las áreas de alto viento han requerido viento amarres para estabilizar la estructura contra el embate.De vuelta en la década de 1960, se pensó que una estructura no sería vibrar en un flujo turbulento. Sin embargo, se encontró que al tener un cierto contenido intensidad y frecuencia en un viento turbulento, se puede producir golpeteo. En muchos casos, las respuestas embate de un puente atirantado durante la construcción pueden ser muy graves si no se toman medidas concretas para estabilizar la estructura.La manera más eficaz para estabilizar la estructura contra el embate es aumentar su frecuencia fundamental por amarres, Figura 19.17. La mayoría de los puntos de amarre son simples cables de filamentos de siete cables anclados a las fundaciones de pilotes, pesos muertos, o anclajes del suelo como en la ciudad-LaPorte Puentes Annacis y Bay-. La estabilización de la torre por la

parte delantera y trasera cables alojados también pueden tener el mismo efecto que en el río Fraser ALRT y East Huntington Bridges.El uso de puntos de amarre también puede ayudar a reducir el momento de flexión desequilibrada en la torre durante la construcción que es inherente a un método voladizo.La cantidad de amortiguación puede tener un efecto decisivo en el comportamiento aerodinámico de un puente atirantado, especialmente en la velocidad crítica del viento aleteo. En consecuencia, la asunción de un coeficiente de amortiguamiento adecuada es muy importante en el diseño. Tabla 19.1 muestra la velocidad del viento aleteo crítico calculado del Puente de Sidney Lanier, Georgia, con base en los resultados de pruebas modelo seccionales.

FIGURA 19.17 Temporal estabilización por medio de cables de amarre.

TABLA 19.1 Flutter crítico velocidad del viento - Sidney Lanier Puente

Coeficiente de amortiguamiento (% de la crítica) 0,5% 1,0% 2,0% 3,0% 4,0%

Viento crítico aleteo aceleró, km / h 160 180 230 340 450

Prácticamente todas las mediciones de campo de coeficiente de amortiguamiento de los puentes atirantados se realizaron con pequeñas amplitudes. En general, se encontró que era entre 0,5 y 1,0%. Tales valores medidos corresponden al comportamiento de las respuestas Votex-vertimiento de baja amplitud, lo que suele ocurrir a velocidad relativamente baja viento. Sin embargo, el aleteo es un fenómeno representado por grandes amplitudes; el coeficiente de amortiguación real es mucho mayor.Flutter se considera un fenómeno natural extremo que puede ocurrir una vez cada 1.000 a 2.000 años. Habrá también hay gente en el puente bajo tales vientos altos. Por lo tanto, muy grandes oscilaciones de amplitud con el agrietamiento del concreto y parcial rendimiento de acero se consideran aceptables. Bajo tales condiciones, la amortiguación aumenta significativamente. Un puente atirantado, siendo una estructura muy redundante que puede permitir a muchos rótulas plásticas para formar, ofrece ventajas decisivas sobre puentes viga regulares.Un factor de amortiguamiento del 5% se asume por lo general en el análisis sísmico, que es un fenómeno natural extremo similar. Un valor de 2 a 4% puede suponer conservadoramente para un puente atirantado de hormigón. Amortiguación superior también puede lograrse mediante la instalación de amortiguadores artificiales.El conocimiento de las vibraciones de cable también ha progresado ampliamente. El primer problema de vibración atirantado apareció en el puente Neuenkamp. Esta fue una vibración raíz de dos cables paralelos y hori- zontal ubicados. El problema era nuevo en ese momento. Se identificó y, además, la vibración se suprimió mediante la conexión del par de cables junto con

un amortiguador. Este concepto fue utilizado para varios otros puentes construidos posteriormente.Se observaron vibraciones cable severas en el Puente Brotone. Se instalaron amortiguadores y tuvieron éxito en la supresión de las vibraciones. El mismo concepto se utilizó para el Sunshine Skyway. Vibraciones lluvia-viento fueron descubiertos en algunos puentes. Este fenómeno aparece sólo durante la lluvia de luz en combinación con viento ligero. Este problema se ha encontrado que es causada por el cambio de forma de manto de agua de lluvia en el cable. El aumento de la amortiguación de cables puede suprimir esta vibración. Atar los cables entre sí por cables, Figura 19.18Y drenar el agua lejos del cable antes de que se acumula son los métodos más comunes y eficaces para luchar contra este problema. Adición de hoyuelos o rebordes en espiral sobre la superficie del cable también se han encontrado para ser eficaz.

19.4 Superlong Spans

Conceptualmente, puentes atirantados se pueden utilizar para tramos muy largos. Debido a que un puente atirantado es un sistema estructural cerrado, similar a un puente colgante auto-anclado, pero se puede construir sin apoyos temporales, es especialmente ventajoso en áreas donde las condiciones del suelo no es bueno y el anclaje de los principales cables de suspensión se convierte en prohibitivo caro. Span longitud de más de 2.000 m es totalmente factible.Tres detalles importantes deben ser atendidos adecuadamente en el diseño de Superlong de tramo puentes atirantados: la eficacia de cables muy largos, la compresión en la cubierta, y la rigidez torsional de la viga para la estabilidad del viento. Cuando un cable es demasiado largo, se vuelve ineficaz. Esto se puede resolver proporcionando apoyos intermedios para el cable para reducir su hundimiento.

FIGURA 19.18 Ate los cables contra vibraciones lluvia-viento - Dames Point Bridge.

El esfuerzo de compresión en la cubierta aumenta proporcionalmente a la longitud de tramo. Dependiendo del tipo de material utilizado para la viga de cubierta, la longitud máxima lapso de una viga uniforme está limitada por sus tensiones admisibles. Este problema puede resolverse mejor mediante el uso de una viga con sección transversal variable. Al aumentar la sección de

la viga gradualmente hacia las torres, donde la compresión es el más alto, el esfuerzo de compresión se puede reducir a un nivel aceptable. La rigidez torsional de la viga puede ser complementado por tener torres suficientemente ancho para que los cables están inclinadas en la dirección transversal.Si la cubierta es demasiado estrecho para el lapso muy largo, cables staying horizontales en la dirección transversal en el nivel de la cubierta pueden proporcionar rigidez en esa dirección.

19.5 Puentes atirantados Multirango

La mayoría de los puentes atirantados tienen tres o dos vanos atirantados. Los cables de copia de permanecer y el muelle de anclaje juegan un papel importante en la estabilización de la torre. Cuando un puente tiene más de tres vanos, el momento de flexión en las torres será muy grande. Una solución consiste en diseñar las torres para llevar a la gran momento de flexión [6,11]. Esto no suele ser la solución más económica.Existen varios métodos para fortalecer las torres de un puente atirantado multirango [6], como se muestra en Figura 19.19:

1. Atar la torre encabeza junto con los cables horizontales;2. Atar la torre encabeza hasta el punto de la viga y la torre de intersección en las torres

adyacentes;3. Adición de muelles de amarre adicionales en los centros de envergadura; y4. Adición de cables de cruce en midspans.

19.6 Estética Iluminación

Iluminación estética es ahora parte del diseño de la mayoría de los puentes atirantados. Iluminación realza la belleza y la visibilidad del puente en la noche. Hay varios esquemas de iluminación de un puente atirantado como se muestra en Figura 19.20.

FIGURA 19.19 Multispan atirantado sistema de puente.

FIGURA 19.20 Iluminación estética de los puentes atirantados.

19.7 Resumen

Puentes atirantados son hermosas estructuras. Su atractivo popular para ingenieros y nonengineers por igual ha sido universal. En un sentido puramente técnico este tipo puente llena el vacío de gama lapso eficiente entre puentes de vigas convencionales y los puentes colgantes muy largo palmo.

TABLA 19.2 Puentes atirantados Milestone (a partir de abril de 1998)

Características Puente Nombre País Span (m)Año de

finalización

Puente atirantado Primera construido con éxito

Stromsunde Suecia 183 1955

En primer puente con cables estrechamente espaciados

Bonn-Norda Alemania 280 1967

Completamente de acero cubierta abierta viga de placa

Kniea Alemania 320 1969

Spine Center, solo plano, todo el acero Neuenkampa Alemania 350 1,971

Primera gran lapso de hormigón, viga cajón columna vertebral

Hoescht Alemania 148 1972

Primera gran viga cajón prefabricado Sunshine Skyway EE.UU. 366 1986

Primero sólida de concreto de placa plana viga diseñada

Portsmouth EE.UU. 286No

construida

Primero viga principal compuesta completada

Annacis Islanda Canadá 365 1986

Primero viga de placa plana completado

ALRT Skytrain Canadá 340 1988

Viga flexible construido por viajero cable-apoyado

Dame Point EE.UU. 396 1988

Primero viga compuesta importante diseñada

Segundo Hoogly India 457 1992

Mayor viga compuesta Yang Pua China 602 1993

Acero híbrido vano principal + vanos laterales de hormigón

Normandya Francia 856 1994

Viga de acero, conc. torres, palmo más largo hasta la fecha

Tataraa Japón 890 1998

la Lapso récord del mundo en el momento de su finalización.

Tabla 19.2 es una lista de hitos puentes atirantados. Se ilustra la evolución general de los modernos puentes atirantados.

Referencias

1. Abdel-Ghaffar, A. M. Puentes atirantados bajo acción sísmica, en puentes atirantados, Elsevier, Amsterdam, 1991.

2. Podolny, W. y Scalzi, JB Construcción y Diseño de Puentes-permanecido por cable, John Wiley & Sons, Nueva York, 1986.

3. Tang, MC, Análisis de puentes atirantados, J. Struct. Div. ASCE, agosto de 1971.4. Tang, MC, pandeo de puentes de vigas atirantados, J. Struct. Div. ASCE, septiembre de

1976.5. Tang, MC, puentes atirantados de hormigón, que se presentan en la Convención ACI,

Kansas City, septiembre de 1983.6. Tang, MC multispan puentes atirantados, en Actas, Conferencia Internacional Puente -

Puentes en el siglo 21, Hong Kong, octubre, 1995.7. Troitsky, MS, atirantado-Puentes, Van Nostrand Reinhold, Nueva York, 1988.8. Dame Puente Point alcanza para un registro, el Ing. Noticias Rec., 7 de enero de 1988.9. Recomendaciones para la estancia Cable Diseño y Pruebas, postesado Instituto, enero

de 1986. Última rev. 1993.10. Guía para el diseño de los puentes atirantados, la Sociedad Americana de Ingenieros

Civiles, 1992.11. Festschrift Ulrich Finsterwalder - 50 Jahre für Dywidag, Dyckerhoff y Widmann,

Alemania, 1973.