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    62   DISEÑO

    Noticreto 133  NOVIEMBRE / DICIEMBRE 2015

     Tablero isostático.

    Ingeniero Luis Javier Sanz BalduzGerente Técnico Titandol, SAS – Gerente Imagina, SLP, España

    Fotos: Cortesía Titandol SAS

    Introducción

    El presente artículo pretende introducir al lector enel proceso del diseño de tableros de puentes prefabri-

    cados. No se trata de establecer un manual rígido de

    aplicación general sino simplemente de definir una

    metodología de actuación o, más bien, una estrategia

    de análisis.

     Así como no existen soluciones únicas de estructu-

    ras, del tipo que sean, para una serie de condiciones de

    contorno preestablecidas, tampoco es posible definir

    una solución óptima de prefabricación; existen muchas

    posibilidades, todas ellas factibles. La idoneidad de la

    alternativa finalmente elegida se fundamentará en el

    cumplimiento de esas condiciones existentes y en la con-

    secuente optimización de todos los procesos asociados.

    Equilibrando el diseño con la construcción

    Consideraciones deprefabricados en puentes

    En el texto se comenta la casuística relacionada

    con elementos prefabricados de tipo completo ocuasi-completo, es decir, se enfoca el problema de la

    ejecución de un tablero de puente desde una perspec-

    tiva en la que se trata de reducir al mínimo el número

    de operaciones a realizar en obra y, además, conseguir

    que éstas resulten lo más simples posible. Tal circuns-

    tancia excluye expresamente al método de construc-

    ción de tableros mediante dovelas prefabricadas, que

    por su propia entidad merecería un artículo entero en

    exclusiva. La enorme versatilidad que dicho sistema

    proporciona permite ejecutar prácticamente cualquier

    tipo de tablero pero, consecuentemente, a costa de un

    número muy importante de operaciones a ejecutar en

    obra con una evidente sofisticación tecnológica.

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    ¿Qué es un puente prefabricado? No es trivial tratar de explicar qué es un puente

    prefabricado puesto que obliga a definir el concepto

    mismo de la prefabricación, que no por ser de uso

    generalizado supone un significado unívoco.

    La prefabricación supone introducir la indus-

    trialización en el ámbito de la construcción y, en

    este caso particular, en el ámbito de los puentes. Se

    trata de permitir que una fracción importante de

    los procesos de construcción del puente pueda ser

    ejecutada industrialmente. El entorno en el que nor-

    malmente suelen desarrollarse estos procesos indus-

    triales es una planta o fábrica en la que la empresa

    prefabricadora cuenta con personal especializado

    en este tipo de elementos y en el resto de procesos

    vinculados, desde la recepción de materiales hasta

    el transporte y montaje de las piezas que se realicen.

    Es importante subrayar que la circunstancia querealmente dota de significado a la prefabricación no

    es exclusivamente el hecho de fabricar el elemento

    en un entorno alejado de la obra –es decir, pre-

    fabricar en sentido literal– sino la suma de todos

    los procesos vinculados en los que se desarrollan

    protocolos industrializados que permiten optimizar

    la calidad del producto finalmente ejecutado. Por

    citar algunos:

    • Control exhaustivo de materiales (para cualquier

    edad del concreto) con la correspondiente trazabili-

    dad desde el momento de la recepción de los mismos.

    • Control geométrico de elementos constructivos

    incluyendo la trazabilidad de todos los sub-

    elementos que han sido necesarios para ejecutar la

    pieza correspondiente.

    • Desarrollo del protocolo completo de transporte

    (en planta, en carretera y en obra).

    • Desarrollo del protocolo completo de montaje

    de acuerdo con las características particulares del

    emplazamiento de la estructura.

    Prefabricar es, en definitiva, ejecutar un elemento

    constructivo desde la óptica del proceso industrial.

    El resto es simplemente fabricar o construir de otramanera, pero no se puede caracterizar como prefabri-

    cación puesto que carece de esos procesos industriales

    vinculados ya mencionados.

    ¿Cómo se puede diseñar un puenteprefabricado? El objetivo del proyectista al enfrentarse a un puente

    susceptible de ser prefabricado debe ser encontrar una

    tipología estructural compatible con las necesidades

    del proyecto y con los propios condicionantes exis-

    tentes. Pero al mismo tiempo dicha tipología estruc-

    tural –es decir, el modo en el que la estructura resiste

    las diversas acciones aplicadas– debe ser elegida de

    acuerdo con varios aspectos que deben ser tenidos en

    cuenta en el mismo proceso de diseño. Es imposible

    advertir qué aspecto en particular debe prevalecer

    sobre los otros porque, al fin y al cabo, se trata de

    hallar una solución razonablemente equilibrada que

    no penalice en demasía ninguno de ellos. De hecho

    resulta habitual eliminar posibles soluciones cuando

    se percibe claramente que va a ser imposible cumplir

    alguno de los mencionados condicionantes existentes

    (excesivo peso de los elementos, excesiva longitud,

    imposibilidad de acceso, falta de grúas. Es decir, cada

    uno de los aspectos que deben ser tenidos en cuenta

    en el momento de diseñar un tablero prefabricado

    supone una condición necesaria pero no suficiente,

    y solamente el análisis global de todos ellos desde

    la óptica de las condiciones de contorno existentes

    permitirá encontrar la mejor solución posible.

     A continuación se enumeran y describen algunosde los aspectos a tener en cuenta, básicamente aque-

    llos que tienen especial trascendencia en el diseño

    estructural correspondiente.

    Material

    Pudiera parecer que el título del presente artículo

    implica que no deba hablarse del material puesto que

    se expone de antemano que debe ser concreto... Pero

    concretos hay muchos y muy diversos. En el caso del

    concreto estructural resulta razonable distinguir dos

    tipos básicos: reforzado y pre-esforzado. En todos

    ellos el material final presenta un carácter híbrido, es

    decir, recoge las características del concreto en masa

    y del acero que se coloca en su interior. Este acero

    presenta dos posibles vinculaciones con el propio

    concreto:

    • De carácter pasivo; sólo se activa en presencia

    de acciones exteriores. Corresponde al concreto

    reforzado.

    • De carácter activo; al contrario que en el caso ante-

    rior, está permanentemente activado. Corresponde

    al concreto pre-esforzado en sus dos variantes,

    pretensado o postensado1.

    La elección de uno u otro tipo de concreto depende

    del tipo de estructura a ejecutar y de las posibilidades

    del propio proceso de prefabricación. En elementos a

    flexión, lógicamente, el concreto pre-esforzado preva-

    lecerá y en elementos eminentemente a compresión

    podrá resultar más lógico usar concreto reforzado.

    Incluso en elementos a flexión, si dichos elementos for-

    man parte de un sistema estructural secundario, puede

    ser factible plantear el uso de concreto reforzado.

    1.  La distinción entre el pretensado y el postensado introduce muy ligeras variaciones desdeel punto de vista del desempeño mecánico del elemento. Por el contrario sí que son notableslas diferencias en los procesos industriales vinculados. Es decir, la prefabricación de elementos

    pretensados y postensados resulta muy diferente con independencia de que su comportamientoestructural, sobre todo a tiempo infinito, sea prácticamente idéntico.

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    Modulación

    Seguramente, una vez elegido el material, la modula-

    ción es el primer concepto que cualquier proyectista

    debe tener en mente a la hora de diseñar una estructura

    prefabricada. Es decir, se trata de definir la estrategia de

    cómo se pretende trocear, segmentar y despiezar la es-

    tructura completa y plantear los procesos constructivos

    asociados. En este punto es fundamental tener una idea

    muy clara, prácticamente cristalina, del comportamien-

    to mecánico del sistema estructural propuesto; la fac-

    tibilidad de la prefabricación de la estructura depende

    de que la identificación de este sistema estructural sea

    correcta. A diferencia de la ejecución in-situ estándar,

    la construcción con elementos prefabricados presenta

    una naturaleza evolutiva que debe ser cuidadosamente

    analizada y sólo la implementación de dicho proceso

    evolutivo en el desempeño de cada elemento en singu-

    lar, y su correspondiente vinculación con la estructuraglobal, permitirá la adecuación de la prefabricación

    prevista. De igual modo, la modulación debe prever

    la caracterización de los elementos prefabricados y de

    los no prefabricados, es decir aquellos que van a ser

    fundidos in-situ. Se comentaba anteriormente que un

    buen diseño prefabricado no tiene por qué generar

    una industrialización completa de todos y cada uno

    de los elementos del tablero; sin embargo sí que debe

    identificar qué tipo de procesos se pueden ejecutar en

    obra con absoluta facilidad permitiendo simplificar la

    concepción de los elementos prefabricados.

    De manera ineludiblemente asociada a la modu-

    lación va ligada la concepción de las uniones entre

    los diferentes elementos propuestos. Es decir, resulta

    factible cualquier modulación que permita que la

    estructura, tanto provisional como final, presente un

    comportamiento mecánico correcto y adecuado. Y dicho

    comportamiento no sólo depende de la idoneidad del

    elemento prefabricado ejecutado sino de la manera en

    la que se trasmiten los esfuerzos entre cada uno de ellos.

    El abanico de tipologías de uniones es amplísimo:

     juntas secas, juntas húmedas, mediante utillajes me-

    tálicos de diferente naturaleza, etc. En este caso, para

    precisar el diseño resulta de importancia capital tener

    unas nociones mínimas de muchas de las posibilidades

    enumeradas, y de posibles incertidumbres o patologías

    que puedan ocasionar.

    En muchos foros se penaliza la prefabricación por

    no haber conseguido resolver de manera fiable este tipo

    de conexiones, lo cual es radicalmente falso. Como en

    cualquier otra estructura, en los sistemas prefabricados

    pueden desarrollarse problemas, pero habitualmente

    no suelen producirse por incertidumbres directamente

    relacionadas con los procesos industriales inherentes,

    sino por malas aplicaciones ingenieriles en los mismos.

    En resumen, si en una estructura prefabricada hay queprestar especial atención a las conexiones, en primer lu-

    gar, hay que caracterizarlas con acierto y posteriormente

    plantear el dimensionamiento adecuado. La estructura

    prefabricada, volvemos a reiterar, no fallará por ser pre-

    fabricada; fallará, si es que falla, por estar mal diseñada.

    La modulación, como se ha dicho, debe implemen-

    tar correctamente los sistemas estructurales elegidos

    para la correcta transmisión de esfuerzos a lo largo de

    la estructura global.

    En estas dos figuras se pueden advertir claramente

    los elementos prefabricados (vigas y prelosas, de

    encofrado perdido en el caso de las vigas de sección

    I, y autoportante en el caso de la sección cajón), así

    como la parte de obra fundida in-situ. El sistema es-

    tructural primario, en ambos casos, está basado en el

    comportamiento mecánico de las vigas prefabricadas y

    el sistema secundario es asumido por la losa fundida

    in-situ sobre prelosas apoyadas en la(s) viga(s). Sección de puente con

    vigas I.

    CONCRETO

    FUNDIDO IN SITU

    PLACA

    ENCOFRADO PERDIDO

    VIGAS PREFABRICADAS

    PRE-ESFORZADAS

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    “La estructura prefabricada

    no fallará por ser prefabricada;fallará, si es que falla, por estar

    mal diseñada”.

    Tipología

    Habitualmente los tableros de los puentes prefabri-

    cados se asocian a las tipologías isostáticas, es decir,

    estáticamente determinadas. Efectivamente, es una

    aproximación bastante extendida en todo el mundo

    pero no es la única. Los elementos prefabricados

    pueden ser unidos, conectados o empalmados con

    la misma fiabilidad que las estructuras ejecutadas

    in-situ.

    Los primeros condicionantes para decidir la tipo-

    logía vienen relacionados con las acciones a soportar

    y la geometría de la estructura propuesta, básicamen-te la longitud máxima de vano y, en menor medida, la

    anchura de la plataforma.

    En puentes existen básicamente tres posibles

    acciones móviles que influyen decisivamente en la

    tipología del tablero: sobrecargas de tráfico carretero

    (puente carretero), sobrecargas de tráfico peatonal

    (pasarela) y sobrecargas de tráfico ferroviario (puente

    ferroviario). Incluso en este último caso puede distin-

    guirse entre tráfico ferroviario de velocidad conven-

    cional (hasta 200-220 km/h) y alta velocidad (hasta

    350 km/h). El primero puede ser analizado como

    sensiblemente estático mientras el segundo debe ser

    evaluado obligatoriamente prestando especial aten-

    ción a su carácter dinámico. Además de éstas, sobre

    todo en países de América del Sur, es habitual que la

    acción sísmica sea, al menos, tan importante como

    las mencionadas. En relación a las acciones móviles

    o vivas, la pésima corresponde a la ferroviaria y la

    menos restrictiva a la peatonal. Sin embargo, en el

    caso de las pasarelas el comportamiento dinámico

    de la estructura adquiere mayor importancia puesto

    que, desde el punto de vista estático, resulta posible

    apurar mucho más la rigidez del tablero. El hecho de

    considerar uno u otro tráfico influye en la tipología a

    elegir puesto que mayores cargas reducen las longitu-

    des máximas de elementos viga a disponer.

     Aquellos vanos que presenten longitudes mayores

    a 50 m suelen imposibilitar la elección de tipologías

    isostáticas (a no ser que se recurra a esquemas can-

    tilever que suelen ser económicamente comparables

    a las soluciones hiperestáticas, por lo que no secomentan).

    En función de las acciones aplicadas, las carac-

    terísticas orográficas del emplazamiento o de las

    propias posibilidades de construcción, la longitud

    máxima de elementos prefabricables puede llegar a

    ser notablemente inferior a los 50 m mencionados.

    Cuanto mayor sea la anchura del tablero existirá

    más necesidad de disponer un número mayor de

    elementos tipo viga, o mayores deberán ser las di-

    mensiones de los elementos que se dispongan.

    Las secciones resistentes de los elementos viga

    –aquellos sometidos eminentemente a esfuerzos de

    flexión– que habitualmente se utilizan son aquellas

    que presentan mejor rendimiento mecánico, es decir

    las secciones en I y las secciones en cajón o artesa. Las

    primeras son adecuadas para todo tipo de tableros

    isostáticos y para ciertas estructuras parcialmente

    hiperestáticas que se desarrollan a nivel de la losa

    sobre los apoyos intermedios.

    Las segundas sirven igualmente para tipologías

    isostáticas e hiperestáticas. En este último caso resulta

    posible apurar las dimensiones de la viga para dispo-

    ner exclusivamente una única viga.

    Como se anotó en el apartado relativo a la mo-

    dulación, no sólo es importante la definición delos sistemas estructurales primarios, sino también

    plantear correctamente los secundarios. En el caso

    de los tableros de puentes prefabricados resulta de

    especial relevancia el papel de las prelosas, es decir

    elementos estructurales (reforzados o pre-esforzados)

    que definen el sistema secundario de transmisión de

    esfuerzos y que permiten la ejecución de fundidos

    in-situ  sin la disposición de encofrados adicionales.

    Existen varios tipos de prelosas, desde aquellas que

    solamente trabajan como meros encofrados perdidos

    a otras con mayor entidad estructural y que incluso

    intervienen en la rigidez final de la sección resistente

    propuesta.

     Sección de puente con unasola viga cajón

    CONCRETO

    FUNDIDO IN SITU

    PRELOSA

     AUTOPORTANTE

    VIGA PREFABRICADA

    PRE-ESFORZADA

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    de la planta de prefabricación; cuanto más alejada se

    encuentre la planta de la obra, más restrictivos serán

    los condicionantes físicos. Tal circunstancia ilustra el

    interés de poder contar con plantas móviles en lugar

    de las fijas, tradicionalmente empleadas en países con

    buenas infraestructuras de comunicación. En cual-

    quier caso debe quedar claro que la posible excesiva

    distancia que pueda existir entre la fábrica y la obra

    puede ser igualmente resuelta mediante modulaciones

    adecuadas que permitan solventar los ya mencionados

    condicionantes físicos.

    Condicionantes mecánicos: transporte y montaje

    Los condicionantes relativos al transporte de elemen-

    tos prefabricados abundan en las cuestiones descritas

    en el apartado anterior. La distancia entre la planta

    productiva y el emplazamiento de la obra puede

    obligar a eliminar ciertas alternativas de modulacióno al menos depurarlas para cumplir las limitaciones

    existentes.

    El montaje de los tableros prefabricados es una

    de las cuestiones que, a priori y erróneamente, más

    penalizan la posibilidad del diseño. Normalmente

    el proceso de ejecución siempre se vincula a la uti-

    lización de grandes grúas (el tamaño de las mismas

    va asociado lógicamente a la modulación elegida y

    a los condicionantes físicos ya descritos). Y existen

    países –precisamente Colombia es uno de ellos– don-

    de resulta particularmente complejo contar con los

    servicios de tales mecanismos de izado; no sólo por la

    magnitud de los pesos a movilizar sino por el propio

    Tablero hiperestático.

      Tablero isostático.Condicionantes físicos: geometría y peso

    La previsión de las limitaciones geométricas y, de

    manera asociada, del peso máximo de las piezas a mo-

    vilizar siempre aporta una información fundamental a

    considerar detenidamente.

    Este tipo de condicionantes no excluyen por sí

    mismos ninguna posibilidad pero, conjuntamente

    con la propuesta de modulación, deben conducir a la

    eliminación de alternativas. La definición de estas limi-

    taciones suele venir relacionada con el emplazamiento

    1

    2

    1

    2

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    ULTRACEM

    transporte de las grúas ya que, como se ha dicho, la red de comu-

    nicaciones penaliza sobremanera este tipo de desplazamientos.

    De esta manera el diseñador, en el mismo instante en el que está

    concibiendo la estructura prefabricada, debe ser capaz de definir

    un proceso de montaje plausible (y que tenga en cuenta el resto

    de restricciones involucradas. Una estructura prefabricada en la

    que no se hayan resuelto completamente todas las operaciones

    de montaje no responde al concepto ya explicado reiteradamente

    de qué debe ser una estructura prefabricada. Todas las activida-

    des, y precisamente el montaje en mayor medida, deben haber

    quedado resueltas y, de hecho, son las que dotan de significado

    al diseño realizado.

    En este sentido el diseñador debe conocer las diversas me-

    todologías de montaje que actualmente ofrece el mercado y ser

    capaz, incluso, de desarrollar las variaciones que sean necesarias

    para responder a las exigencias que demande la obra estudiada.

    No sólo existen las grúas. Los métodos basados en la disposición

    de vigas lanzadoras metálicas están haciendo posible adoptar laprefabricación en situaciones, en principio, inesperadas y de ma-

    nera prácticamente independiente de la tipología elegida. Com-

    binando el procedimiento de montaje, la modulación adecuada

    y el establecimiento del método de conexión correspondiente

    resulta factible la ejecución de cualquier tipología estándar de

    tableros.

    Condicionantes económicos

    Es difícil hablar en términos económicos generales porque cada

    obra –y, en consecuencia, su interrelación con el modelo de planta

    industrial elegido– define una situación radicalmente distinta.

    De ahí que se vuelva a insistir en el hecho de que no existe una

    prefabricación genérica sino tantas posibilidades como obras con

    diferentes restricciones.

     A pesar de lo comentado se puede afirmar que los tableros

    isostáticos, en ausencia de requerimientos extremos, suelen ser

    más baratos que los hiperestáticos. De igual manera el tablero

    pretensado también suele ser más barato que el postensado.

    Razónese que el proceso de ejecución de un elemento preten-

    sado permite un mayor aprovechamiento de la instalación y, en

    consecuencia, mayor control económico del producto industrial.

    Por la misma razón, cuanto menor sea el número de conexiones

    e igualmente menor la complejidad de las operaciones asociadas,

    más se podrá abaratar el costo.

    Conclusiones

    Este artículo ha tratado de ilustrar levemente los conceptos e ideas

    que el diseñador debe tener presente para obtener un resultado

    razonable y acorde con las demandas del desafío constructivo.

    No se quiere transmitir una idea de extrema complejidad

    del proceso de diseño; de hecho resulta francamente sencillo

    implementar con el tiempo todos estos aspectos en la propia gé-

    nesis conceptual. Se trata simplemente de una cuestión de cierta

    experiencia y espíritu crtítico, prestar atención a las posibles

    mejoras en cualquiera de los procesos vinculados (puesto que en

    cualquier momento se pueden incorporar a los procedimientos

    planteados) y desarrollar cierta intuición relacionada con el com-

    portamiento mecánico de las estructuras.