Sistema de Péndolas Network en Puentes Bowstring

7/25/2019 Sistema de Pndolas Network en Puentes Bowstring

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SISTEMA DE PNDOLAS NETWORK EN PUENTES BOWSTRING

1. PRLOGOYa hace tiemp me !a"ci#a e$ cmp%tamie#t e"t%&ct&%a$ 'e $" a%c"( e$ e$eme#t e"t%&ct&%a$

)&e *#ca '&e%me+. Me p$a#te, e$ &" 'e 'ich e$eme#t e"t%&ct&%a$ pa%a $a e-ec&ci# 'e

p&e#te "/%e e$ %0 2ca% a "& pa" p% 3a"a" 'e Be#0te4 p% mti5" 'ce#te". E# e"te ca"(

'e/i' a $ %6%a!0a 'e$ te%%e# 7 e$ e#t%# #at&%a$ e# e$ )&e me e#c#t%a/a e#ca-a/a

pe%!ectame#te p&e#te tip /8"t%i#6. D&%a#te e$ 'i"e9 'e"c&/%0 $a p%/$em:tica 'e $"

p&e#te" tip a%c 7 $a" "$&ci#e" m:" a'ec&a'a" pa%a %e'&ci% 'ich" p%/$ema".

E# e"ta e#t%a'a 'e /$6 me 6&"ta%0a cmpa%ti% $a e;pe%ie#cia e#t%a#' e# 'eta$$e "/%e $a"

5e#ta-a" e i#c#5e#ie#te" 'e$ 'i"e9 'e p&e#te tip a%c 7 e# e"pecia$ $" p&e#te" tip

/8"t%i#6. E#t%a%, e# 'eta$$e e# $a "$&ci# 'e p,#'$a" tip #et8%


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A$ %e"i"ti% e$ ti%a#te $a" cmp#e#te" h%i4#ta$e" # "e t%a#"mite# !&e%4a" h%i4#ta$e" a$

te%%e#( $ c&a$ p&e'e "e% m&7 imp%ta#te e# ca"" '#'e e$ te%%e# # p&e'a "p%ta%

6%a#'e" ca%6a".

E$ p%/$ema p%i#cipa$ )&e "&%6e e# $" p&e#te" tip a%c e" $a apa%ici# 'e mme#t" !$ect%e"

e# e$ a%c 'e/i' a )&e e# %ea$i'a' $a" ca%6a" t%a#"miti'a" a$ a%c # "# i!%me" ?/ie# "ea

e$ t%e# 'e ca%6a" 'e $a i#"t%&cci# 'e ca%%ete%a" 'e !e%%ca%%i$e" a $ $a%6 'e$ ta/$e%@.

E"te e!ect p&e'e ap%ecia%"e e# $a "i6&ie#te !i6&%a( $" e"!&e%4" !$ect%e" )&e apa%ece# e# e$

a%c p% $a" ca%6a" a"im,t%ica" # "# cmpati/$e" c# e$ cmp%tamie#t e"pe%a' 'e

e$eme#t e"t%&ct&%a$ tip a%c.

. PUENTE TIPO BOWSTRING

3ON PNDOLAS TIPO NETWORKL" p&e#te" /8"t%i#6 c# p,#'$a" tip #et8%< pe%mite# a 'i"t%i/&ci# m:" hm6,#ea 'e

$a" ca%6a" a$ a%c 'e/i' a $a i#c$i#aci# 'e $a" p,#'$a" 7 a $a pca "epa%aci# 'e $a" mi"ma"(

ta$ 7 cm "e ap%ecia e# "i6&ie#te !i6&%a. E" p% e$$ p% $ )&e ta#t e$ a%c cm e$ ti%a#te

t%a/a-a# e# t' mme#t p%:cticame#te a e"!&e%4 a;i$( "ie#' e$ %e"t 'e e"!&e%4" ca"i

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t%a/a-a# 2#icame#te a t%acci#( "ea m&7 %e'&ci'a.

C. SISTEMAS DE PNDOLAS

NETWORKT'a" $a" 5e#ta-a" 'e$ "i"tema" 'e p,#'$a" #et8%< tie#e# p%eci. E$ "i"tema c#"t%&cti5

"e t%#a a$6 m:" cmp$e-( 7a )&e ha7 )&e 'i"e9a% 'eta$$e" c#"t%&cti5" e"pec0!ic" 'e$

"i"tema c%&4a' 'e ca/$e". E;i"te# 'i"ti#ta" "$&ci#e" pa%a e$ a#c$a-e 7 c%&ce 'e $" ca/$e"

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3m "e p&e'e ap%ecia%( e# e"te ca" $a" p,#'$a" e"t:# !%ma'a" p% /a%%a" $i"a" tip

'i8i'a6 c# %"ca' e# e;t%em". L" e$eme#t" )&e !%ma# $a" p,#'$a" 'e e;t%em a

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>%)&i$$a %"ca'a pa%a a#c$a-e a ti%a#te.

Ma#)&it te#"% a/ie%t e# "& t%am ce#t%a$ pa%a e$ c%%ect te#"a' 'e $a p,#'$a.

O-a$ 'e c%&ce 'e p,#'$a. La p,#'$a )&e e" c%&4a'a 'i"p#e 'e 'i"c 'e 6ma

)&e "e i#t%'&ce p% e$ -a$ pa%a e5ita% e$ 'a9a' 'e $a" p,#'$a". E"te "i"tema pe%mite

e$ c%&ce 'e p,#'$a" "i# e;ce#t%ici'a'e" e#t%e $a" 'i%ect%ice" 'e $a" /a%%a". E# $a

"i6&ie#te !i6&%a "e m&e"t%a 'eta$$e 'e$ c%&ce.


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>%)&i$$a %"ca'a pa%a a#c$a-e a a%c.

E;i"te# t%" tip" 'e c%&ce 'e p,#'$a" e#t%e $a" )&e #" p'em" e#c#t%a% $a "i6&ie#te

E# e"te ca" "0 )&e "e p%'&ce# e;ce#t%ici'a'e" e#t%e $a" 'i%ect%ice" 'e $a" p,#'$a" 7 e$

ti%a#te a%c )&e "i )&e ha/%: )&e te#e% e# c&e#ta e# e$ cmp%tamie#t e"t%&ct&%a$.

. 3ON3LUSIN3m c#c$&"i# p'%0am" 'eci% )&e e$ "i"tema 'e p,#'$a" tip #et8%< ha "i' 6%a#

a5a#ce e# 'i"e9 e"t%&ct&%a$ pa%a $a ptimi4aci# 'e $" e$eme#t" a%c 7 ti%a#te e# p&e#te"

tip #et8%


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unido a las condiciones topogricas y luviales del pas deine la necesidad de

disear y construir puentes de gran longitud.

!n muchos casos no es posible evitar el diseo y construccin de puentes con

grandes luces por lo que la "nica alternativa vlida consiste en buscar otros

m#todos de diseo y construccin, como los puentes colgantes.

La experiencia en el pas, con puentes colgantes, no ha sido alentadora. !n las

carreteras de primer orden, el balance del uso de puentes colgantes ha sido

negativo, undamentalmente por la alta de experiencia en la coordinacin entre el

diseo y la construccin. Los pocos puentes colgantes vehiculares que estn en

desuso se limitan a estructuras livianas de madera, suspendidas de cables de acero,

construidas ya hace muchos aos $%uente &ucre, %uente 'rce, %uente La

(oncordia,..).

!xiste, sin embargo, un n"mero importante de puentes colgantes, de pequea lu*,

utili*ados para la circulacin peatonal $%uente +orochito y %uente !l Torno, sobre !l

rio %iray, %uente La Tunita, en el rio i*que,...). &e presenta la circunstancia

especial de que el autor del presente artculo, ha reali*ado diseos y ha participado

en la construccin de este tipo de puentes.

Figura 2.!squema general de un %uente (olgante.

2. PRINCIPIOS BSICOS DE LOS PUENTES COLGANTES.

Los principios de uncionamiento de un puente colgante son relativamente simples.

La implementacin de estos principios, tanto en el diseo como en la construccin,

es el principal problema de ingeniera.

!n principio, la utili*acin de cables como los elementos estructurales ms

importantes de un puente tiene por ob-etivo el aprovechar la gran capacidad

resistente del acero cuando est sometido a traccin.

!l soporte sico de un puente colgante est provisto por dos torres de sustentacin,

separadas entre s. Las torres de sustentacin son las responsables de transmitir las

cargas al suelo de undacin.

Las torres de sustentacin pueden tener una gran diversidad de geometras y

materiales de construccin $la cimentacin de las torres de sustentacin

generalmente es construida en hormign armado por su permanente contacto con

el agua y la tierra, aunque la superestructura puede ser de acero, hormign armado

e inclusive de madera), pero generalmente presentan como caracterstica tpica una

rigide* importante en la direccin transversal del puente y muy poca rigide* en la

direccin longitudinal. !ste se constituir en un actor importante para la

estructuracin de todo el puente colgante.


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'poyados y anclados en la parte superior de las torres de sustentacin, y ubicados

de una manera sim#trica con relacin al e-e de la va, se suspenden los cables

principales de la estructura $generalmente un cable a cada lado de la torre).

ebido a que los cables principales van a soportar casi la totalidad de las cargas

que act"an sobre el puente, se suele utili*ar acero de alta resistencia $tensiones derotura superiores a los /0111 2g3cm4.

Figura 3.Torres de sustentacin de un %uente (olgante.

Figura 4.(ables principales de gran dimetro de un %uente (olgante.

(on el ob-eto de que los cables tengan la lexibilidad apropiada para traba-ar

exclusivamente a traccin, los cables de gran dimetro estn constituidos por un sin

n"mero de cables de dimetro menor.

e los cables principales se su-etan y se suspenden tensores o p#ndolas,

equidistantes en la direccin longitudinal del puente, que generalmente son cables

de menor dimetro o varillas de hierro enroscadas en sus extremos.

La separacin entre tensores es usualmente pequea, acostumbrndose valores

comprendidos entre 5 y 6 metros. e la parte inerior de los tensores sostenidos en

cables principales de e-e opuesto, se suspenden elementos transversales $vigas

preabricadas de acero, de hormign e inclusive de madera para puentes

secundarios) que cru*an la va a lo ancho.


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Figura 5.istribucin de los tensores o p#ndolas (ables principales.

Figura 6.!squema tpico del tablero colgante.

e igual orma, en la direccin longitudinal del puente, de la parte inerior de los

tensores se suspenden y su-etan elementos longitudinales $vigas preabricadas)

que unen todos los tensores.

Las vigas longitudinales conorman una estructura similar a una viga continua sobre

apoyos elsticos. (ada tensor constituye un apoyo elstico.

!ste esquema de uncionamiento estructural permite que las dimensiones

transversales de las vigas longitudinales $y de las vigas transversales) dependan de

la distancia entre tensores y no dependan de la distancia entre torres de

sustentacin.


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Figura 7.!structura de las vigas longitudinales.

Figura 8.!structura similar a una viga contin"a sobre apoyos elsticos.

Las vigas transversales y longitudinales conorman una malla de elementos

estructurales sobre un plano hori*ontal.

La viga 7ierendel que se ormara solamente con las vigas transversales y

longitudinales, es normalmente insuiciente para resistir las solicitaciones

transversales al puente sobre ese plano hori*ontal $accin dinmica de los sismos y

del viento).

Figura 9.isposicin de las vigas longitudinales y transversales.

La malla de vigas longitudinales y transversales se puede arriostrar y rigidi*ar

mediante diagonales y contra diagonales.

'poyada en las vigas transversales se construye la estructura que soportar

directamente a los vehculos que circulan por el puente. 8sualmente esta estructuraes una losa de hormign, pero podra ser una estructura con planchas metlicas.

ebido a la gran rigide* de la losa sobre el plano hori*ontal, en caso de su uso

podra prescindirse del uso de diagonales y contra diagonales. !n el caso de una

superestructura metlica para la circulacin vehicular, las diagonales y

contradiagonales $o alg"n otro mecanismo de rigidi*acin) sern necesarios.


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Figura 10.iaragma hori*ontal, arriostrado del tablero.

La colocacin de las diagonales y contra diagonales persigue la ormacin de un

diaragma hori*ontal de gran resistencia a la lexin en la direccin hori*ontal

$similar a una losa en un ediicio).

Figura 11.!structura de soporte vehicular.

!n principio, la carga viva vehicular es transmitida a su estructura de soporte9 la

estructura de soporte vehicular transmite la carga viva y su propio peso a las vigas

transversales9 las vigas transversales con sus cargas, a su ve*, se sustentan en lostensores9 los tensores, y las cargas que sobre ellos act"an, estn soportados por

los cables principales9 los cables principales transmiten las cargas a las torres de

sustentacin9 y, por "ltimo, las torres de sustentacin transieren las cargas al

suelo de cimentacin.

La geometra presentada hasta el momento no es la ms apropiada para un puente

colgante, pues la tensin en el extremo de los cables principales se convierte en

una accin que no puede ser soportada directamente por las torres de sustentacin.


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Figura 12.Tensin en el cable principal.

(laramente se puede establecer una cadena en el uncionamiento de los puentes

colgantes9 la alla de cualquiera de los eslabones mencionados signiica la alla del

puente en su con-unto.

La componente vertical de la tensin del cable es cilmente resistida por las torres

de sustentacin, pero la componente hori*ontal producira volcamiento. %ara

superar este limitante se deben crear mecanismos que permitan a la torre

compensar esa uer*a hori*ontal.

Figura 13.Tensin en el cable principal en torres tipo prtico.

8na primera alternativa, vlida exclusivamente para puentes de pequeas luces

$hasta :1 m.) consiste en crear torres de sostenimiento tipo prtico en la direccin

longitudinal, lo que acilita la estabili*acin de la carga proveniente de los cables

principales.

!n puentes de grandes luces, la primera ase de la solucin del problema consiste

en extender el puente y los cables principales hacia el otro lado de la torre, para

equilibrar total o parcialmente las cargas permanentes.


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Figura 14. %uente de gran lu* equilibrando carga permanente.

Figura 15. ;uer*as laterales de los cables en la torre.

!n caso de no disponerse de una longitud apropiada hacia los extremos del puente

$muchas veces en *onas montaosas el acceso a los puentes es muy restringido),

se pueden construir contrapesos como parte de los volados.

(on el ob-eto de reducir los costos de los maci*os de ancla-e, los estribos son

construidos en hormign armado, conormndose celdas selladas llenas de lastre

$piedra y tierra) dentro de los estribos.

Figura 16. 8bicacin de los contrapesos.

La carga muerta no equilibrada y la carga vehicular que circula por el tramo central

son resistidas por ancla-es gravitacionales de los cables, en sus extremos. La carga

vehicular actuante en los tramos extremos del puente puede ser resistida por

estribos.


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!sta estructuracin de los puentes colgantes permite resistir eicientemente las

cargas gravitacionales, pero existen otras alternativas de estructuracin, como

puentes colgantes continuos, puentes con un solo e-e central de cables, puentes

con ms de un cable en los extremos de la va, etc.

Figura 17. 'ncla-es gravitacionales de los cables en los extremos.

3. PESO PROPIO DE LOS CABLES CON DEFLEXIN SIMTRICA.ebido a su peso propio $carga vertical uniormemente distribuida en toda lalongitud del arco), los cables describen una curva conocida como (atenaria.

Figura 18. (urva catenaria del cable.

Figura 19. !squema del equilibrio del cable.

!n el caso ms com"n, en que no existe desnivel entre los dos extremos, la uer*a

de tensin en el extremo del cable $y la tensin a lo largo del cable tambi#n)

depende de la longitud entre extremos, del peso por unidad de longitud, y de la

lecha en el centro de la lu*.

!n este caso=


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onde=

T= tensin en el extremo del cable

>= componente hori*ontal de la tensin en el extremo del cable

(omo alternativa se puede utili*ar una aproximacin parablica de segundo grado a

la catenaria $la dierencia es pequea), con lo que la descripcin del cable y su

comportamiento se podran calcular con las siguientes expresiones=

onde=

L/= lu* libre entre apoyos del cable

4. PESO PROPIO DE LOS CABLES CON DEFLEXIN ASIMTRICA.


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Figura 20. !quilibrio del segmento de catenaria.

Figura 21. &istema de coordenadas del cable.

!n este caso las expresiones que describen el comportamiento del cable son

bastante ms comple-as que en el cable sim#trico=

onde=

T= tensin en el extremo ms alto del cable, T?= tensin en el extremo ms ba-o del

cable

>= componente hori*ontal de la tensin en el extremo ms alto del cable


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>?= componente hori*ontal de la tensin en el extremo ms ba-o del cable

&= cortante en el extremo ms alto del cable, &?= cortante en el extremo ms ba-o

del cable

L= longitud del segmento de catenaria, @= proyeccin hori*ontal del segmento decatenaria

A= desnivel entre los dos extremos del segmento de catenaria

dL= incremento de longitud del cable por eecto del peso propio

!= mdulo de elasticidad del material constitutivo del cable, '= seccin transversal

del cable

5. ASPECTOS ESPECIALES DE ANLISIS, DISEO Y CONSTRUCCIN.

(omo se podr observar a continuacin, es muy dicil desligar el anlisis y diseode puentes colgantes, de su construccin.

!l peso propio del cable constituye una raccin de las cargas gravitacionales que

act"an sobre los puentes colgantes. 'dicionalmente act"a el peso de los restantes

elementos estructurales, la carga permanente no estructural y las cargas vivas.

La me-or manera de modelar el comportamiento del cable $que es el componente

ms importante de la estructura) consiste en utili*ar programas estndar de

'nlisis atricial de !structuras !spaciales como &'%4111, &'%1 o C'&D(ivil.

&e dividen los cables en un alto nmero de segmentos y se anali*an las solicitaciones

provocadas por los dierentes tipos de cargas.

!s importante notar que la carga permanente, adicional al peso propio del cable, es

generalmente una carga uniormemente distribuida $o bastante cercana a ello), por

lo que la geometra esperada en el cable, luego de las deormaciones del mismo

ser bastante cercana a una catenaria, conviniendo asumir inicialmente que la

geometra del cable corresponde a una catenaria.

La primera sorpresa con la que nos encontramos cuando se anali*a un cable ba-o su

propio peso, por el #todo atricial, es que las deormaciones son muy importantes

$en un cable de 511 m de longitud y E1 m de lecha es recuente obtener

delexiones del orden de los 5 m en el centro de la lu*).

Figura 22. !squema de la modelacin estructural.


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Figura 23. elexiones inicial y inal del cable.

&i un cable cambia su lecha de E1 m a E5 m, la primera consecuencia lgica es que

los esuer*os en el cable sern dierentes $sern menores), por lo que podra

convenir anali*ar la estructura con Teora de &egundo Frden, o con varias

'proximaciones de %rimer Frden hacia la geometra inal del cable. %ero, este es el

menor de los problemas en los cables estructurales de puentes colgantes. +unto con

el cable descender toda la estructura los mismos 5 m, en el centro de la lu*, lo

que provocara eectos indeseables.

&i durante la colocacin del cable se lo tensa desde la *ona de ancla-e para que lalecha quede en E1 m $y no en E5 m en el presente e-emplo), el problema quedara

solucionado para esta ase. !s evidente que este proceso constructivo determinar

la manera de reali*ar el anlisis y el diseo del cable y de toda la estructura. &i se

compensa la delexin, basta reali*ar el anlisis con Teora de %rimer Frden.

Guevamente tendramos deormaciones indeseables que podran ser compensadas

total o parcialmente mediante nuevos tensados de los cables desde la *ona de

ancla-e. %ara poder llevar a cabo este proceso ser necesario que los cables no

tengan un ancla-e deinitivo, sino provisional, durante las ases iniciales de la

construccin.

'dems deber calcularse el eecto del tesado adicional del cable sobre la posicin

inal de los restantes componentes estructurales, y las solicitaciones que podran

generarse sobre esos componentes.

ependiendo de las ases de la construccin en que se realicen los a-ustes de las

lechas, el anlisis estructural para ciertas cargas, y ciertos elementos, podr ser

reali*ado con Teora de %rimer Frden en lugar de Teora de &egundo Frden.

Figura 24. %roceso constructivo, Tesado inicial.


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Figura 25. (ontrol de delexiones, tesado durante la construccin.

(uando se colocan los tensores, las vigas transversales, las vigas longitudinales, las

diagonales y contra diagonales, la estructura de soporte vehicular, y toda la carga

permanente, se producen sucesivamente nuevas delexiones tanto o ms

importantes que las provocadas por el cable.

'l igual que los cables principales, los tensores tambi#n pueden estar su-etos a

pequeos a-ustes de longitud, para controlar adecuadamente las delexiones. !stos

esquemas de construccin tambi#n tendrn su eecto sobre la manera de anali*ar la

estructura.


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!n deinitiva, debern mane-arse dierentes modelos estructurales que tomen en

consideracin el comportamiento de cada elemento estructural durante la ase de

construccin. !sos modelos ocasionalmente podrn ser planos pero conorme

avance el proceso constructivo se convertirn en modelos tridimensionales.

Ftro aspecto primordial dentro del anlisis y diseo de puentes colgantes constituyela necesidad de tomar en consideracin los eectos dinmicos causados por el

viento. Los puentes colgantes son particularmente sensibles a las oscilaciones, por

lo que normalmente se requieren redistribuciones de masas y a-ustes de rigideces

laterales para disminuir los eectos dinmicos a magnitudes mane-ables.

esde el punto de vista constructivo, el mane-o de los grandes pesos que tienen los

cables principales constituye un serio limitante, particularmente para nuestro pas.

Ftro problema serio constituye la inraestructura necesaria para poder reali*ar el

tesado progresivo de los cables hasta reali*ar su ancla-e deinitivo.

Los detalles constructivos constituyen otro problema en nuestro medio. urante el

diseo se deben tomar muchas de las decisiones sobre la construccin.

H&e utili*arn elementos preabricadosI, H&e colocarn varios cables en cada uno

de los extremos de las torres de sustentacinI

. CONCLUSIONES GENERALES SOBRE LOS PUENTES COLGANTES.

!l diseo y la construccin de puentes colgantes es una alternativa vlida para

puentes de grandes luces. La implementacin en nuestro pas de este tipo de

puentes debe incluir un cambio en la manera tradicional de mirar el diseo y la

construccin como actividades separadas e independientes dentro de la prctica

ingenieril, convirtindolas en actividades ntimamente ligadas.

La incorporacin de nuevas tecnologas, como la requerida para construir puentes

colgantes de luces mayores, requiere la creacin de una inraestructura costosa y el

mane-o de estas tecnologas al momento no existen en nuestro pas.

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