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Capítulo 1. Introducción
1.1. Generalidades
Los puentes son uno de los elementos más críticos en un sistema carretero. Por su complejidad, resultan ser los elementos que tienen el mayor costo de una red carretera y originan los mayores daños en caso de que su funcionamiento no sea el adecuado. La falla de un puente puede dejar incomunicados a regiones enteras de un país por semanas y aún meses con costos incalculables.
Según las últimas estadísticas, en los Estados Unidos existen alrededor de un millón y medio de puentes en del sistema carretero. De éstos, se estima que más de una tercera parte presentan problemas estructurales o son funcionalmente obsoletos. Esto es:
Que se encuentran en unas condiciones físicas deplorables,
O no son capaces de soportar las cargas que actualmente circulan por las carreteras de ese país.
En México no se tienen estadísticas confiables respecto a nuestro sistema carretero. Según la SCT, la red federal cuenta con aproximadamente 250,000 km de carreteras y 6,500 puentes. Sin embargo, no se cuenta con información confiable respecto a la longitud de las carreteras estatales y municipales y mucho menos respecto al número de puentes. Sin embargo, algunos autores estiman que en total, en México existen cerca de 45,000 puentes. Si en Estados Unidos, una tercera parte de sus puentes están obsoletos, seguramente en México un porcentaje mayor de sus puentes necesitan ser rehabilitados o sustituidos; esto es, más de 15,000 puentes.
El deterioro de puentes es un proceso normal que se debe esencialmente a varios factores:
El envejecimiento. Es el resultado de un proceso mediante el cual la naturaleza trata de revertir el procedimiento artificial de elaboración de los materiales de construcción y llevarlos nuevamente a su estado original. Algunos ejemplos se pueden ver en la Fig. 1.1.
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Fig. 1.1. Ejemplos de envejecimiento de puentes.
Fig. 1.2. Ejemplos de sobrecargas en puentes.
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La aplicación de cargas extraordinarias. La aplicación de cargas accidentales o extraordinarias como avenidas extraordinarias, tormentas de viento, sismos, colisiones, explosiones, etc. como se muestra en la Fig. 1.3.
1.2. Mantenimiento, Rehabilitación y Sustitución de Puentes
La decisión más importante del responsable de un sistema carretero es establecer el tipo de acción que requiere un puente. Estas pueden ser:
Mantenimiento. La más económica, pero para que sea eficiente debe realizarse de manera periódica y sobre todo en el tiempo que se requiera
Rehabilitación. Cuando los daños que presente un puente sean importantes, pero el costo de su rehabilitación sea económicamente factible.
Sustitución. Cuando la rehabilitación sea económicamente incosteable.
1.3. Los Sistemas de Administración de Puentes
Para que el responsable de la operación de una red carretera pueda definir eficientemente las acciones de mantenimiento y rehabilitación que se requieran en la misma, y en especial en los puentes, es necesario contar con un sistema que le permita tomar estas decisiones.
Un sistema de administración de puentes en cualquier país es un medio para administrar los puentes, a través del diseño, construcción, operación y mantenimiento de los puentes. Los sistemas de administración de puentes son de ayuda para las agencias u oficinas a encontrar sus objetivos tales como:
Inventario de la estructura y datos de inspección.
Planeación y mantenimiento.
Intervenciones de reparación y rehabilitación en forma sistemática, optimizando la distribución de los recursos financieros e incrementando la seguridad de los usuarios del puente.
Las mayores tareas en un sistema de administración de puentes es:
La recolección de datos de inventario.
4 Valoración de la condición y resistencia.
Reparación, reforzamiento o reemplazo de los componentes.
Priorizar la asignación de recursos.
Un sistema de administración de puentes incluye cuatro componentes básicos:
Almacenamiento de datos.
Modelos de costo y deterioración.
Modelos de optimización y análisis.
Funciones actualizadas.
Sistema de Administración de Puentes en México
La Dirección General de Conservación de Carreteras cuenta con el Modelo HDM-4. Este Modelo y la SIPUMEX (Sistema de Puentes en México) permiten manejar de una forma sistemática los trabajos de conservación de las carreteras libres federales. La Dirección General de Conservación de Carreteras (DGCC) tiene a su cargo la atención de 7231 puentes en donde utiliza el sistema SIPUMEX. Este Sistema cuenta con bases de datos que tiene inventario de todos los puentes con sus características geométricas y estructurales básicas. Además de su ubicación, materiales de construcción, estudio físico y datos de tránsito. La Fig. 1.4 muestra la distribución del tipo de puente de acuerdo al material con que se encuentra construido.
La distribución del número de puentes por entidad federativa se muestra en la Tabla 1.1, destacando el Estado de Michoacán con 463 puentes y Quintana Roo con 19, de esta red carretera federal.
Sistema de Administración de Puentes en Estados Unidos
La Federal Highway Administration (FHWA) es la encargada de la administración sobre la construcción, mantenimiento y conservación de las carreteras, puentes y túneles de Estados Unidos.
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Fig. 1.4. Distribución del número de puentes de acuerdo al tipo de material del que están construidos.
Tabla 1.1. Distribución del número de puentes por entidad federativa.
Estado No. de
Puentes
Longitud,
km Estado
No. de Puentes
Longitud, km
Aguascalientes 70 2.5 Nayarit 124 4.8
B.C.N. 122 4.8 Nuevo León 241 8.4
B.C.S. 96 2.9 Oaxaca 382 17.2
Campeche 74 2.0 Puebla 140 4.0
Coahuila 305 9.0 Querétaro 63 2.2
Colima 58 3.1 Quintana Roo 19 0.8
Chiapas 266 11.3 S.L.P. 251 8.6
Chihuahua 352 9.9 Sinaloa 230 10.4
Durango 237 7.0 Sonora 457 9.0
Guanajuato 162 3.9 Tabasco 84 5.6
Guerrero 390 18.5 Tamaulipas 349 10.9
Hidalgo 197 7.0 Tlaxcala 152 3.9
Jalisco 298 11.1 Veracruz 415 18.7
México 208 8.2 Yucatán 23 1.1
Michoacán 463 15.8 Zacatecas 195 4.8
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1.4. Tipos de Puentes de Concreto
Puentes de Arco
Los puentes de arco deben su resistencia al hecho de que la geometría del arco que recibe las cargas verticales se generan compresiones en el mismo. Estas fuerzas a compresión en el aro del arco, resultan en cargas inclinadas en los extremos de los estribos y resulta esencial que los estribos u otros tipos de soportes estén bien cimentados para resistir las componentes verticales y horizontales. Si los soportes sufren desplazamientos ela estructura de arco fallará.
Tradicionalmente, los puentes de arco se construían de roca, ladrillo ó concreto en masa, dado que estos materiales son muy fuertes en compresión y el arco fuese configurado para generar esfuerzos sólo a compresión, evitando la tensión. Los puentes de arco modernos, emplean el presfuerzo y refuerzo para resistir los esfuerzos a tensión los cuales pueden desarrollarse en aros de arcos esbeltos.
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Puentes de losas reforzadas
Para claros cortos, una losa de concreto reforzado sólida, por lo general colada en el lugar, es uno de los diseños más simples y económicos dado que la obra falsa que se utiliza es plana y sin detalles de geometrías complejos, así también es de simple su refuerzo. En claros largos, el espesor de la losa deberá ser más grueso para soportar los esfuerzos bajo carga. Este peso extra en la losa puede convertirse en un problema que pudiese resolverse en dos formas. La primera es el utilizar técnicas de presfuerzo y la segunda es reducir la carga muerta (peso propio) de la losa por medio de huecos empleando cilindros de poliestireno ahogados en la losa. Las losas huecas pueden ser más económicas que aquellas presforzadas hasta longitudes de 25 m.
Estos puentes pueden consistir de un solo ó varios claros. Son simples y fáclies de construir. Son apropiados para claros de hasta 15 m.
Puentes de vigas y losa
Los puentes de vigas y losas son probablemente el tipo de puente más común en muchos países gracias al éxito de la elaboración de vigas prefabricadas presforzadas estándar, teniendo la simplicidad, economía y disponibilidad de varios tipos de secciones. Las vigas prefabricadas son colocadas en los soportes como pilas ó estribos sobre soportes de neopreno que son libres de mantenimiento. Es entonces cuando se cuela en el lugar el tablero de losa de concreto reforzada.
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Las vigas simplemente apoyadas y los puentes de losas resultan hoy día dar forma a los puentes integrales, los cuales ofrecen las ventajas de un menor costo y menor mantenimiento debido a la eliminación de juntas de expansión y soportes.
Puentes de trabe de sección hueca o cajón
Para claros mayores a 45 m, las trabes de sección hueca presforzadas es el método más común de construcción de puentes de concreto. Los claros principales son huecos y la forma del “cajón” variará de puente a puente y a través del claro, siendo la sección de mayor peralte en los apoyos y de menor peralte al centro.
Las técnicas de construcción varían de acuerdo al diseño de la sección y la situación del puente, consistiendo de tres tipos principales:
Colocados en incrementos
Como su nombre lo sugiere, esta técnica crea al puente sección por sección empujando la estructura desde el estribo hacia la pila. El claro límite práctico de la técnica es de hasta 75 m.
Claro por claro
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Voladizo en equilibrio
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Puentes integrales
Una de las dificultades en el diseño de cada estructura es decidir dónde colocar las juntas. Estas son necesarias para permitir el movimiento de la estructura debido a los cambios de temperatura. Las juntas resultan propensas a ser vehículos que transportan agua junto con otros agentes nocivos para el concreto. Además, las juntas están provistas de apoyos que resultan no muy económicos. Con estas dos desventajas descritas, muchos puentes están siendo construidos sin estas dos inconveniencias. Estos puentes se construyen con sus tableros conectados directamente a las pilas y estribos. El movimiento térmico generado en el tablero es absorbido por flexión en las pilas de soporte y los movimientos horizontales en los estribos, con compresión elástica del suelo circundante.
Puentes de Cables
Para claros muy largos, una solución es el cable stayed bridge. El diseño consiste en pilas que soportan los cables que a su vez soportan los tableros a cada lado de la pila. Muchos de estos puentes utilizan el sistema de voladizo que puede ser en el lugar o prefabricado.
Es un tipo de puente muy reciente que gana popularidad. Eseconómico y estético. Se eficiente el uso de materiales.
Puentes en suspensión
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1.5. Terminología de Puentes de Concreto
Tráfico Promedio Diario Anual (TPDA) Annual average daily traffic
Es el volumen total de tráfico que pasa un punto o segmento de una carretera en ambas direcciones en un año, dividido por el número de días del año.
Estribo Abutment
Muro de retencionque soporta los extremos de un puente o viaducto.
Claro lateral Anchor Span
En un puente suspendido, es el claro que va desde el estribo hasta la pila más cercana.
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Localizado a los extremos del puente, es la parte de un puente de suspension en los cuales los cables están anclados. Es similar en localizacion al estribo.
Aproche Approach
El aproche es la parte de transición entre el puente en sí y el terreno, generalmente está constituida por una losa llamada losa de aproche y el relleno debajo de esta que es el relleno de aproche, y esta poseerá una rigidez intermedia entre la gran rigidez del puente y el terreno.
Claro de aproche Approach Span
Es el claro o claros que conectan al estribo con el claro o claros principales.
Viga Beam
Miembro estructural horizontal dado a soportar cargas verticales. Una trabe es una viga de mayores dimensiones.
Puente de vigas Beam Bridge
Puente construido de vigas, que puede clasificarse como puente de claros cortos o largos que es soportado en vigas y que descansan en pilas o estribos.
Apoyo Bearing
Elemento colocado a los extremos de la viga y en la parte superior de las pilas o estribos. Los extremos de la viga descansan en los apoyos.
Estrato de roca Bedrock
Capa de roca solida bajo arenas o pizarras.
Pilas o pilares Bent
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Puente de trabes de cajón Box Girder Bridge
Este es un tipo de puente donde las vías principales comprenden trabes de cajon huecos. Este tipo de trabes normalmente están construidas de concreto presforzado, acero estructural o una mezcla de ambos. Las trabes de cajon por lo general son de seccion rectangular o trapezoidal.
Riostra Brace
Soporte estructural para reforzar o rigidizar una estructura para resistir cargas.
Índice de condicion de puentes Bridge Condition Ratings
A través de inspecciones periódicas, se recolectan datos para la condicion de loscomponentes primarios de una estructura. Los índices de condicion, están basados en una escala del 0 al 9. Un índice de condicion de 4 o menos para los siguientes elementos clasifica al puente como estructuralmente deficiente.
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La superestructura, incluyendo todos los miembros primarias de carga y sus conexiones.
La subestructura, considerando los estribos y pilares.
Cable
Parte de un puente en suspension que se extiende desde el muerto de anclaje hasta la parte superior de las torres.
Puente de cables suspendidos Cable-Stayed Bridge
Es una variacion de un puente en suspension en la cual, los miembros de atension se extienden desde una o más torres a ángulos variables para cargar el tablero.
Caja o jaula Caisson
"Caisson" es la palabra francesa para referirse a caja o jaula. Una caja o jaulaes una gran caja fabricada de concreto reforzado con un hueco central abierto. En un puente suspendido, la caja se vuelve la cimentacion de los pilares que soportan las torres de esos puentes.
ContraflechaCamber
Un curveado positive hacia arriba hecho en una viga para compensar una defleccion anticipada.
Voladizo Cantilever
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Colado en el sitio Cast-in-Place
Concreto colocado dentro de cimbrado en el lugar para construir un elemento estructural.
Pasillo temporal Catwalk
Puente temporal pedestre para los trabajadores del puente para extender los cables principales o algún otro elemento para la construcción del puente.
Columna Column
Elemento estructural vertical resistente a compresión.
Riostras de columna Column Cross Brace
Riostras transversales entre dos columnas.
Índices de condición Condition Ratings
De acuerdo a la National Bridge InspectionStandards (NBIS), los índices de condicion se utilizan para describir un puente o alcantarilla comparado respecto a como si estuviese nuevo. Estos índices se basan en la calidad de los materiales, condiciones fisicas del tablero, superestructura y subestructura. Los valores de los índices de condición tienen un rango de 0 (pésimo) a 9 (excelente).
Puente de vigas de claros continuos Continuous SpanBeam Bridge
Es un puente simple construido por uniendo una viga con otra; algunos de los puentes más largos del mundo son puentes de vigas de claros continuos.
Corona Crown
En las superficies de rodamiento, el centro es la parte central más alta de dos pendientes negativas y opuestas a cada lado permitiendo el drenaje.
Alcantarilla Culvert
Es un tubo o canal de drenaje que permite al agua pasar bajo el camino, vía de tren o talud.
Amortiguamiento Damping
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Carga muerta Dead Load
Es la carga estática impuesta por el peso de los materiales que constituyen el propio puente.
Tablero Deck
La parte de la vía de rodamiento del puente, incluyendo acotamientos.
Puente de tablero Deck Bridge
Un puente en el cual los miembros de soporte están todos bajo la superficie de rodamiento.
Celosía DeckPlateGirder
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DeflexionDeflection
Es el desplazamiento de un elementstructural o sistema bajo carga.
Diafragma Diaphragm
Arriostramiento que cubre las vigas o trabes principales ayudando a la distribución de cargas.
Diagonal
Es un miembro estructural inclinado de un sistema de arriostramiento.
Canal de desviacionDiversionChannel
Es una desviación en un flujo de agua de un río para que tenga lugar la construcción.
Aguas abajo DownstreamFace
El lado de un puente no contrario a la dirección del flujo del agua de un río.
TerraplenEmbankment
Se denomina terraplén a la tierra con que se rellena un terreno para levantar su nivel y formar un plano de apoyo adecuado para hacer una obra.
Junta de expansión ExpansionJoint
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Fatiga Fatigue
Deficiencias estructurales debidas generalmente a las cargas repetitivas.
Viga de piso FloorBeam
Elementos horizontales colocados transversalmente a las vigas o trabes principales; se utilizan para dar soporte al tablero.
Aleteo Flutter
Movimiento armónico auto-inducido. Es una inestabilidad aerodinámica que puede crecer a grandes amplitudes de vibración.
Paso elevado Flyover
Un puente formado cuando un camino cruza sobre otro a un nivel más alto.
Zapata Footing
La parte más baja de la subestructura o cimentación que descansa directamente sobre el suelo, sustrato de roca o pilas; generalmente bajo el suelo y no visible.
Cimbrado Forms
Estructuras temporales o moldes fabricados en madera, metal o plástico para contener el concreto y darle forma.
Obra falsa Formwork
El sistema total de soporte para el concreto en fresco incluyendo moldaje yelementos de soporte.
Fractura crítica Fracture-Critical
Un puente en fractura crítica es aquel que no posee elementos redundantes de soporte. Esto significa que si todos los soportes clave fallasen, el puente estaría en peligro de colapso. Esto no significa que el puente sea inherentemente inseguro, solo que habría una falta de redundancia en su diseño.
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Un puente funcionalmente obsoleto es aquel que ha sido construido con especificaciones no usadas actualmente. Estos puentes no son indexados autompaticamente como estructuralmente deficientes o inseguros. Este tipo de puentes son aquellos que no tienen por ejemplo, anchos de carril o acotamientos o alturas adecuados.
Gabion
Es una jaula o caja tejidas de alambre galvanizado, que sirve para ser llenada de rocas, y que sirve como estructura de retención o estribo.
Trabe Girder
Elemento estructural horizontal que soporta cargas verticales resistiendo flexión. Una trabe es una viga de grandes dimensiones.
Puente de trabes Girder Bridge
Un puente de trabes es quizás el tipo de puente más común y más básico. La sección transversal de la trabe toma la forma de “I” compuesta de alma y patines. Una trabe de cajón es semejante a la trabe excepto que toma la forma de cajón o caja. Otras formas de trabes son por ejemplo las “Pi”que son dos trabes en T unidas.
Peso bruto vehicular Gross Vehicle Weight
Se refiere al peso total del vehículo y su carga. Expresa la carga continua máxima para vehículos que cruzan el puente.
Sección variable Haunch
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Trabe de sección variable Haunched Girder
Los puentes típicos de losas sobre vigas tienen un espacio entre la parte baja de la losa y la parte alta de los patines de las vigas. Este espacio referido como engrosamiento consiste de concreto simple que incrementa la carga muerta de la seccion, pero no se considera contribuya a la resistencia.
Muro de remate o alero Headwall
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Barrera Jersey Jersey Barrier
Barrera de concreto reforzado de baja altura y más ancha en su base, diseñada para dirigir el tráfico previniendo cruzar al carril contrario. Se utilizan en puentes nuevos y reconstruidos en lugar de parapetos decorativos u demás.
Junta Joint
Elemento de conexión de dos o más partes adyacentes de una estructura. Una junta de rodillos permite que las partes adyacentes se muevan una tras otra controladamente. Una junta rígida previene que las partes adyacentes giren o roten una con otra.
Arriostramiento lateral LateralBracing
Elementos utilizados para estabilizar una estructura por medio de conexiones diagonales.
Claro móvil Lift Span
Parte de un claro movil que se abre para permitir el tráfico en un río.
Carga viva Live Load
Cargas que comprenden tráfico vehicular, viento, agua y/o sismos.
Viga o trabe principales Main Beam
Es la viga o trabe que soporta los claros apoyada directamente sobre una columna o muro.
Claro principal Main Span
Es el claro más largo en un puente de claros múltiples localizado entre los pilares o torres principales de un puente.
Puente móvil Movable Bridge
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Oscilación Oscillation
Movimiento periódico de ida y vuelta entre dos limites extremos. Una vibración se describe por su tamaño (amplitud), índice de oscilación (frecuencia) y su tiempo (fase). En un puente suspendido, la oscilación resulta de la energía almacenada por el puente. Si una parte del puente almacena más energía de su capacidad, entonces esa parte podría fallar.
Parapeto Parapet
Muro de baja altura colocado a lo largo de la orilla de un tablero de puenteusado para proteger vehículos y peatones.
Columna o pila Pier
Estructura vertical que soporta los lados de una superestructura en un punto entre estribos.
Pila Pile
Columna larga colocada profundamente en la tierra como parte de la cimentacióno subestructura.
Trabe prefabricada Pre-CastGirder
Trabe fabricada fuera del sitio usando acero de refuerzo y cables de pretensado.
Protección de valla Railing
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Reacción Reaction
Es la resistencia de un soporte contra la fuerza de un miembro cargado.
Redundancia Redundancy
Condición estructural donde hay más elementos de soporte que los necesarios para la estabilidad.
Miembro redundante Redundant Member
Es un elemento de un puente que convierte a la estructura estáticamente indeterminada; la estructura sería estable sin ese miembro redundante cuyo fin principal es reducir los esfuerzos generados en le estructura.
Resonancia Resonance
Vibración regular de un objeto en respuesta a una fuerza externa.
Rigidez Rigidity
Medida de la habilidad de una estructura para no cambiar de forma cuando se sujeta a carga.
Marco rígido Rigid Frame
Marco estructural en el cual los miembros se conectan juntos sin articulaciones.
Puente de marcos rígidos Rigid Frame Bridge
Es un tipo de puente de trabes en el cual, las pilas y las trabes del tablero se sujetan para formar una sola unidad. Esto es a diferencia de que una trabe típica se construye de tal forma que el tablero descansa sobre los apoyos.
Pilas de marco rígido Rigid FramePier
Es una pila con dos o más columnas y una viga horizontal en la parte superior, actuando monolíticamente como un marco.
Apoyo de mecedora Rocker Bearing
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Balancín Rocker Bent
Elemento envisagrado o articulado de otra forma en uno o ambos lados para proveer los movimientos longitudinales resultado de los cambios de temperatura y cargas impuestas.
Apoyo de rodillos RollerBearing
Rodillo o grupo de rodillos agrupados para permitir el movimiento longitudinal de una estructura.
Pilote Shaft
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Cortante Shear
Fuerza que causa que el material deslice contra sí mismo en direcciones opuestas.
Limo Silt
Partículas sedimentarias.
Claro simple SimpleSpan
Claro en el cual, la longitud efectiva es la misma de la longitud de la estructura. El claro de la estructura se extiende desde un soporte vertical, estribo o pila, a otro sin cruzar un soporte intermedio o crear un voladizo.
Esviaje Skew
Cuando la linea de la superestructura no es perpendicular con la línea de la subestructura se crea un ángulo de esviaje. El ángulo de esviaje es un ángulo agudo entre la alineación de la superestructura y la alineación de la subestructura.
Claro Span
Es el espacio horizontal entre dos soportes de una estructura. El claro efectivo es la distancia entre los centros de dos soportes.
Soporte Stay
Riostra diagonal para minimizar movimiento estructural.
Rígido Stiff
Habilidad de un material para resistir deformación.
Rigidizador Stiffener
En trabes de placas (acero) o de cualquier otra forma estructural,, un rigidizador se conecta a las almas para proporcionar una resistencia intermedia.
Puntal Strut
Es un elemento a compresión.
Subestructura Substructure
La superestructura consiste en todas aquellas partes que soportan la superestructrura. Los componentes principales son:
Estribos o pilares externos
Pilas o pilares
Zapatas
Pilotes
Superestructura Superstructure
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Miembros estructurales
Parapetos, vallas, banquetas, iluminación y drenaje
Claro suspendido Suspended Span
Es una viga simple, soportada en los voladizos de los claros transparentes conectados comúnmente por pernos.
Suspensores Suspenders
Son los elementos de tensión de un puente en suspensión el cual cuelga del cable principal para soportar el tablero.
Puente en suspensión Suspension Bridge
Es un tipo de puente que soporta su tablero por medio de muchos miembros atensión agarradoa a cables desplegados sobre las torres o mástiles.
Tensión
Acción de jalar un cuerpo.
Torsión
Acción de torcer un cuerpo.
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Es una pila o pilar muy altos que soportan los cables de un puente en suspensión.
Resistencia última UltimateStrength
Es el nivel de esfuerzo más alto que puede soportar un material antes de fallar.
Alzar Uplift
Es una reacción negativa o una fuerza que tiende a levantar la vigau otroelemento hacia arriba.
Aguas arriba UpstreamFace
El lado del puente que da contra la corriente del agua.
Ancho de Canal Waterway
Ancho disponible para el paso del agua debajo del puente.
Superficie de rodamiento Wearing Surface
La capa más superior del material que recibe las cargas de tráfico.
Alma Web
Porción vertical de una viga I o trabe.
Rigidizador de alma Web Stiffener
Elemento pequeño soldado al alma de una viga para prevenir pandeo de esta.
Agujero de escape Weephole
Es un agujero realizado en un muro de retención de concreto para dar drenaje al agua proveniente del suelo.
Bordillo Wheel Guard
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Esfuerzo de trabajo Working Stress
Esfuerzo sometido bajo cargas de servicio de la estructura.
Fluencia Yield