Nota profesional y de seguridad importante: Esta es una revisión de expertos en archivos, no un diseño, cálculo estático, evaluación de un puente existente ni instrucciones para construcción, inspección o rehabilitación. Las divisiones, luces, proporciones, tensiones, materiales, detalles de juntas y soluciones constructivas originales se han transferido sin verificación profesional y no deben utilizarse como especificaciones modernas. El diseño y las obras en puentes requieren de diseñadores y contratistas autorizados, regulaciones y normas vigentes, datos geotécnicos e hidrológicos, cálculo de efectos permanentes y variables, fatiga, viento, temperatura, sismicidad, estabilidad, cimentaciones, condiciones de montaje y robustez, así como ensayos de materiales, corrosión, uniones y estado real de la estructura. El acceso a la estructura, trabajos en altura, tránsito, elevación, soldadura, corte y montaje conllevan riesgos mortales y requieren un plan de protección especial.
El diseño, construcción y rehabilitación de puentes de acero no forman parte de la nueva oferta pública de Savo Kusić. El enfoque actual es ventanas de madera, ventanas de madera y aluminio, ventanas personalizadas y puertas. Para un proyecto de ventana o puerta, puede enviar solicitud de cotización.
Puentes en arco
Existen puentes en arco reales con arcos rígidos, que pueden recibir todo tipo de impactos, y puentes en arco compuestos por varillas, donde se obtiene un sistema rígido por la existencia de una viga rigidizadora. Un arco rigidizado (viga de Langer) se calcula bajo el supuesto de conexiones articuladas, por lo que el arco se carga sólo con fuerzas normales. Los momentos de flexión son asumidos por la viga de refuerzo, que también desempeña el papel de tensión si el arco está situado encima de la viga.
Los arcos y las vigas Langer son más económicos que los puentes de vigas para luces más grandes, porque la carga total distribuida equitativamente es recibida solo por la línea de soporte del arco. Con la excepción de las fuerzas suplementarias, los momentos son causados sólo por cargas parciales y son significativamente menores en los arcos que en las vigas.
Fig. 1 — Puertos de red
Fig. 2 — Puertos de estaño
a) Construcciones en arco. Los puertos con abrazaderas rara vez se construyen debido a las dificultades para sujetar los soportes. Los más comunes son los puertos en dos articulaciones. Los puertos con tres bisagras tienen la ventaja de que el movimiento de los soportes y el cambio de temperatura no provocan fuerzas en los mismos. Son particularmente aplicables para relaciones bajas f/l y para el caso de suelos poco confiables. Los puertos rígidos se fabrican como rejillas (fig. 1) o como soportes metálicos (fig. 2). La estructura arqueada está situada encima y debajo de la calzada; se evita la calzada hundida por razones estéticas. Los puertos sobre la calzada reciben tirantes para recibir el empuje del puerto. Si el arco está conectado rígidamente a las vigas de las aberturas adyacentes (fig. 1 c y e), las dimensiones estáticas pueden verse influenciadas dentro de amplios límites.
b) Las vigas Langer tienen arcos relativamente fuertes, ya que la longitud de flexión es igual a la distancia entre los nodos de la conexión superior. Las soluciones con arco bajo el pavimento (fig. 3d) rara vez se utilizan en puentes. La viga para refuerzos puede ser de chapa o de rejilla. Con ambas soluciones, ese haz puede continuar continuamente hacia los campos vecinos, de modo que se crean sistemas continuos o Gerber (fig. 3b). En la figura. 4 muestra una sección transversal de un puente con una viga intermedia. La estructura portante consta de un arco de varilla, soportes rígidos y una caja hueca cerrada a modo de viga de refuerzo que recibe momentos de torsión y flexión.
Fig. 3 — Vigas más largas
Fig. 4 — Sección transversal de un puente con una viga principal intermedia
c) Puentes de marco. Cuando es necesario asegurar la altura libre del perfil en todo el ancho del hueco, se aplican marcos sobre dos o tres juntas con una altura de apoyo inferior a la de las vigas simples debido a la acción del marco (fig. 5).
e) Cálculo. Los arcos suelen calcularse partiendo del supuesto de que su eje no se deforma. Sin embargo, las deformaciones elásticas pueden ser considerables. En soluciones con tensión suspendida, los valores estáticos no cambian mucho debido a la deformación, mientras que la deformación de arcos rectos y vigas Langer puede tener un efecto significativo sobre los valores estáticos.
Fig. 5 — Puentes de marco
Puentes colgantes
Los puentes colgantes de celosía, que son rígidos en sí mismos, se construyeron muy raramente. Los puentes colgantes modernos tienen una viga de refuerzo que limita e iguala la flexión debida a fuerzas concentradas. Los puentes colgantes con grandes luces son el puente Golden Gate cerca de San Francisco (Fig. 6a) con luz 1280m, y el puente Washington cerca de Nueva York (Fig. 6b) con luz 1067m.
Las vigas de refuerzo son de chapa o celosía, de altura constante o con un pequeño aumento de altura por encima de los soportes intermedios. La relación entre pluma y luz se elige principalmente en la relación 1/9 a 1/11. Varios accidentes han demostrado que a bajas alturas la rigidez puede ser demasiado baja, especialmente con un peso propio bajo y un ancho de puente pequeño.
Fig. 6 — Puentes colgantes americanos: a) Puente Golden Gate en San Francisco (1937), b) Puente Washington en Nueva York (1931), c) Puente Florianópolis en Brasilia (1926)
Piñón
a) Las cadenas articuladas de eslabones con extremos expandidos, que se encuentran libremente paralelos entre sí y enfrentados en las uniones con eslabones superpuestos de campos adyacentes, se fabrican de dos maneras: con refuerzos clavados de láminas en los extremos o con extremos expandidos obtenidos mediante forja (fig. 7). La cadena del puente sobre el Rin se construyó con acero al níquel con una resistencia a la tracción de 5,5 a 6,5 t/cm2. En los puentes colgantes americanos más pequeños, la cadena está hecha de acero fundido normal, en algunos casos también de acero aleado o endurecido.
Fig. 7 — Cadena del Puente de Florianópolis
b) Cables de cuerda en espiral. Las cuerdas cerradas están hechas de alambre brillante. Las capas internas del cable están protegidas con una capa de plomo mínimo, mientras que las superficies externas de los cables individuales están recubiertas con una capa protectora.
Los cables de alambre redondos en espiral en los puentes americanos consisten principalmente en alambres galvanizados en caliente y parcialmente envueltos de manera similar.
Los alambres de puente estirados en frío tienen una resistencia a la rotura de 12 a 20 t/cm2. La resistencia a la fatiga se puede reducir significativamente si la superficie exterior de los alambres trefilados en frío está en malas condiciones.
El alargamiento del cable en espiral depende del material de los alambres y del método de fabricación del cable. La expansión elástica en la zona de tensiones normales admisibles asciende a 0,003 a 0,004. Dado que las cuerdas se estiran plásticamente de forma permanente con 0,001 durante la primera carga, a veces antes de su uso las cuerdas se cargan previamente con la mayor fuerza y, por lo tanto, se estiran. El beneficio de este tramo es limitado, ya que una parte importante del “estiramiento permanente” se pierde después de aflojar la cuerda durante la instalación adicional.
Las unidades históricas, los nombres de los aceros, los revestimientos protectores, las resistencias, las expansiones y los métodos de fabricación o vertido de cabezales de cables no son especificaciones modernas. El estado de las cadenas, cuerdas, anclajes, cabezas de cables y revestimientos protectores existentes se determina mediante documentación, inspección y pruebas; no se puede deducir de este texto general.
Anclaje
Las cadenas de tobillos se anclan mediante tacos en soportes que se hormigonan en los cimientos para su anclaje.
Las cuerdas en espiral tienen cabezas correspondientes en los extremos (fig. 8). en el que se desenredan los alambres en forma de escoba, y después de limpiarlos se rellenan de metal blanco. Las cabezas fundidas por expertos tienen la misma resistencia que la cuerda.
Fig. 8 — Cabezas de cable: a) cabeza simple, b) cabeza americana, c) cabeza puente del Rin
Suspensión y bridas
Los soportes están hechos de acero redondo, especialmente de tubos o cables metálicos (fig. 9 y 11). En el caso de cables cerrados, los cables se cubren con bridas (fig. 10). En el caso de haces de cables separados, las suspensiones están diseñadas de tal manera que, en caso necesario, los cables individuales se pueden sustituir por otros nuevos. Los colgadores de cuerda se atan con cabezales de cable, mientras que las pequeñas diferencias de longitud se compensan con cuñas.
Fig. 9 — Suspensión, antiguo puente sobre el Rin
Fig. 10 — Bridas para cables del puente sobre el Rin: a) puente nuevo, b) puente antiguo
Fig. 11 — Bridas para cables y cuerdas para colgar
Torres (pilones)
Las torres de los puentes colgantes tienen bisagras en la parte inferior o se pueden sujetar con abrazaderas, como ocurre principalmente en Estados Unidos. La cadena está firmemente unida a las torres. El soporte móvil es necesario sólo cuando a las torres no se les pueden confiar fuerzas horizontales, lo que ocurriría con soportes estacionarios.
Para puentes colgantes grandes, se prefieren torres de cuña más bajas. En ese caso se pueden montar primero las torres, luego los platos y suspensiones y finalmente las vigas de refuerzo. En los puentes colgantes autoanclados se requiere un amplio andamio ya que el sistema estático sólo comienza a actuar cuando la viga de refuerzo está cerrada.
Soportes de carretera y tableros de carretera
En vista del tráfico y el mantenimiento, debemos intentar que el pavimento del puente no difiera, si es posible, del pavimento de las partes de conexión de la carretera o del ferrocarril. Dado que el pavimento en sí no tiene suficiente rigidez propia, debe contar con un sistema de superficie en dirección vertical, así como con un sistema que le proporcione soporte lateral horizontal. El llamado panel de vía se apoya en soportes de vía, que se componen principalmente de soportes longitudinales y transversales.
Soportes transversales
Las vigas transversales transfieren cargas en movimiento a las vigas principales. También son una parte importante de los acoplamientos. Las vigas transversales se apoyan directamente sobre las vigas principales y, en el caso de puentes inclinados, su luz es igual a la distancia entre las vigas principales. Los soportes transversales suelen ser de chapa, para longitudes cortas y soportes laminados ordinarios. Es útil que su altura esté en el rango de 1/6 a 1/8, aunque en el caso de puentes grandes y la pequeña distancia entre los apoyos transversales (especialmente en el caso de tableros de pavimento), esta altura puede estar incluso en el rango de 1/20.
Por regla general, las vigas transversales se consideran vigas simples que están unidas rígidamente a las vigas principales, de modo que en la sección transversal del puente se forman pórticos abiertos o cerrados. Debido a esto se producen momentos de pellizco, que deben tenerse en cuenta especialmente en las conexiones.
Fig. 12 — Conexión de barra transversal
En el caso de que el pavimento esté debajo, la conexión se realiza con ángulos de conexión simples, o. placas de carretera, que se insertan en el travesaño (fig. 12), o en las verticales de la sección en I, y en lugar de sus nervaduras (fig. 13). La solución en la fig. 14 es especialmente rígido, ya que allí la chapa voladiza queda embebida tanto en el soporte transversal como en el vertical, de modo que el momento en la esquina lo reciben los tornillos de seguridad. Con otras soluciones no se puede evitar que los tornillos se rompan parcialmente y que los ángulos de conexión se doblen. Conexiones según fig. 12 y 13 se deforman significativamente más bajo la influencia del momento que los de la fig. 14. Surgen soluciones similares para otras posiciones del pavimento. La colocación de soportes transversales sobre los soportes principales sólo es posible con una altura estructural suficiente. Luego se deben reforzar los soportes principales de chapa en los lugares donde actúa la carga.
Fig. 13 y 14 — Variantes de conexión de vigas transversales
Soportes longitudinales
Los soportes longitudinales pueden estar debajo de la calzada y debajo de los pasos de peatones. La viga exterior, que a menudo está unida a la barandilla del puente, se denomina viga longitudinal de borde. Los soportes longitudinales están hechos de soportes laminados y de chapa. Su alcance es de hasta 12 m. Dado que las vigas longitudinales están expuestas a la influencia más directa de la carga en movimiento, su rigidez frente a la flexión es especialmente importante. Para puentes ferroviarios, se busca una altura de viga de 1/8 a 1/10. Los soportes longitudinales de acero de alta calidad generalmente no son adecuados debido a su elevada flexión. En muchos puentes antiguos, la conexión de las vigas longitudinales se realizaba según la fig. 15. Un ángulo de unión se encuentra entre las patas del soporte enrollado, mientras que el otro se apoya en toda la altura del soporte transversal. En este tipo de conexiones se producen importantes tensiones secundarias, y en muchos casos se han producido roturas por fatiga en las mismas, así como fisuras en el punto de corte de la pata. Por este motivo, este tipo de conexiones no están permitidas en los puentes ferroviarios. Si no se puede evitar cortar las patas, estos cortes deben realizarse con un gran redondeo, para evitar el riesgo de grietas.
Fig. 15 — Conexión de soporte longitudinal
Drenaje
Se debe prestar gran atención al drenaje de puentes. El drenaje rápido y completo del agua es el requisito previo más importante para la larga vida útil de la superficie de la carretera, así como del propio puente. Además del aumento de la oxidación y de los mayores costes de mantenimiento, las zonas de retención de agua también son peligrosas debido a los daños causados por las heladas. Si el nivel del puente lo permite, los puentes de carretera deberían tener un cierto desnivel longitudinal (no inferior a 1%), que aseguraría el flujo de agua hasta el desagüe. El agua contaminada con aceite y polvo se drena a través de canalones. Estos canalones deben tener una caída longitudinal suficiente y deben ser accesibles para poder limpiarlos periódicamente.
Fig. 16 — Drenaje y capas protectoras de la superficie de la carretera
Los pavimentos asfálticos no son absolutamente impermeables. Se puede prescindir de un aislamiento especial debajo del asfalto si éste se encuentra sobre una losa de hormigón vibrada y la propia losa es en gran medida impermeable. Si el pavimento no es lo suficientemente impermeable como para que penetre una parte del agua de lluvia, se deberá prever un aislamiento. Para puentes de acero, se consideran revestimientos de betún asfáltico o terra, etc., capas aislantes de masas aislantes bituminosas con inserciones sólidas de papel con fieltro de lana o tejido de yute, así como capas aislantes de láminas metálicas de cobre o aluminio. Las capas aislantes deben protegerse contra daños mecánicos con capas protectoras.
Las descripciones de caídas, canalones, asfalto, losas de hormigón, masas bituminosas, fieltro, yute y láminas metálicas son históricas. El drenaje moderno, la impermeabilización, la protección del acero, los detalles de penetración y el mantenimiento están diseñados como un sistema armonizado de acuerdo con la normativa vigente, las condiciones climáticas, el tráfico y la construcción real.
Fig. 17 — Detalle del drenaje a lo largo del borde del puente
Acoplamientos
Los soportes de estaño tienen poca rigidez en la dirección perpendicular al plano del soporte, las rejillas con juntas supuestas en los nodos son incluso móviles múltiples en la dirección transversal. Por lo tanto, primero se necesitan tirantes y marcos transversales para crear estructuras espacialmente estables. Además, deberán recibir cargas que actúen transversalmente al plano de los soportes principales, y finalmente asegurar la construcción contra pandeo y vuelco.
Acoplamientos contra el viento
Estos acoplamientos están dimensionados para recibir fuerzas del viento y otras cargas horizontales. Consisten en rejillas o soportes de marco, rectos o curvos según las correas. Los cinturones de enganche contra el viento son en la mayoría de los casos también cinturones de los soportes principales. A menudo los soportes transversales son también las verticales del acoplamiento contra el viento.
Para un puente cargado, se toma menos carga de viento que para un puente descargado. Si la sección lo permite, los puentes de celosía tienen preferentemente dos tirantes contra el viento entre las vigas de las vigas principales. Ver esquemas del sistema en la fig. 18 en el que los acoplamientos antiviento y los acoplamientos transversales están marcados con líneas discontinuas.
El número y tipo de acoplamientos transversales debe ser suficiente para crear un sistema espacialmente rígido. Es habitual que las rejillas garanticen la estabilidad también en el caso de rótulas. Las vigas de puerto y Gerber, a excepción de los puentes pequeños, se refuerzan con acoplamientos especiales contra el viento y contra el pandeo. En las uniones de los soportes principales, los acoplamientos deben realizarse de forma que no afecten la acción de las uniones, fig. 18e.
Fig. 18 — Disposición de los acoplamientos contra el viento
Los tableros de pavimento anchos de chapa u hormigón armado son muy rígidos en sus planos. Si las luces no son demasiado grandes, se pueden prescindir de acoplamientos especiales contra el viento, ya que la tabla de pavimento puede desempeñar el papel correspondiente. Se deben tomar medidas para recibir fuerzas transversales solo durante el montaje.
A la hora de elegir el relleno hay que tener en cuenta que generalmente las fuerzas en las varillas son pequeñas y las longitudes de flexión de las varillas son grandes. Por lo tanto, se prefieren redes con longitudes de varilla cortas (por ejemplo, sistema K o sistema rómbico). A veces, el acoplamiento antiviento se cuelga de los soportes de la carretera para reducir la longitud de flexión. Para acoplamientos sobre el pavimento, se suele utilizar el sistema rómbico sin verticales.
La posición en altura del acoplamiento contra el viento está determinada principalmente por las condiciones estructurales (fig. 19). Aquí también se evita, si es posible, una conexión excéntrica. especialmente con fuerzas elevadas, y el acoplamiento contra el viento se ajusta de modo que los ejes de las varillas se crucen en los planos de los soportes principales (fig. 20).
Fig. 19 — Posición de altitud del acoplamiento antiviento
Fig. 20 — Nodo de acoplamiento antiviento
Marcos cruzados
Los puentes con calzada encima se pueden reforzar con marcos de celosía ligeros según la fig. 22. A los refuerzos principales de vigas de chapa se pueden conectar acoplamientos transversales en forma de marco. En la figura. 21 muchos cables se colocan sobre el marco tensor en dos juntas, es decir, sobre la rejilla debajo del travesaño, de modo que sean accesibles desde el carril de inspección central.
Fig. 21 — Marco transversal y guía de instalación
Fig. 22 — Marco cruzado de celosía
Para puentes con calzada debajo, la forma de los marcos transversales viene determinada por el perfil libre para el paso de vehículos. Los puentes con marcos transversales de celosía se muestran en la fig. 23d. Para las parrillas se necesitan marcos transversales que distribuyan la carga (fig. 24) para lograr la cooperación de todos los soportes principales, incluso para una carga parcial. Si se trata de un puente ferroviario con vía curva o si las vigas principales están en curva, esto se debe tener en cuenta durante el cálculo estático de acoplamientos.
Fig. 23 — Ejemplos de acoplamientos transversales y soportes principales
Fig. 24 — Sección transversal y viga transversal para la distribución de carga en el puente sobre el río Ruhr cerca de Herdecke
Acoplamiento de impacto lateral
Entre los soportes longitudinales de los puentes ferroviarios (fig. 23c) es necesario prever un acoplamiento especial para la recepción de impactos laterales de vehículos. Las vigas longitudinales en I son proporcionalmente muy poco rígidas en la dirección transversal, por lo que es deseable que el acoplamiento contra impactos laterales aumente su seguridad contra el pandeo lateral (Fig. 25).
Fig. 25 — Acoplamiento contra impactos laterales
Embrague antifrenado
Las vigas transversales no son capaces de recibir las fuerzas que actúan en el sentido longitudinal del puente y que se producen al frenar o iniciar la marcha del vehículo, debiendo aliviarse instalando acoplamientos antifrenadas. Son soportes planos de celosía (fig. 26) que conectan los soportes longitudinales con un acoplamiento contra el viento (fig. 27). A menudo existe una diferencia de altura entre el soporte y el acoplamiento. Y en los casos en que la longitud de los soportes se pueda conectar directamente con el acoplamiento antiviento, se necesita un acoplamiento antifrenado especial, ya que las varillas que llenan el acoplamiento antiviento no pueden soportar una carga de flexión significativa. En algunos casos, se puede combinar en un único acoplamiento antiviento para carretera, un acoplamiento antiimpacto lateral y un acoplamiento antifrenado.
Fig. 26 — Sistema de embrague antifrenado
Fig. 27 — Embrague antifrenado