excitación dinámica de puentes atirantados por tratarse de una estructura esbelta y susceptible de presentar una respuesta apreciable por la excitación del viento.
Los puentes atirantados se han construido durante siglos, pero hasta la década de los años 50 no se desarrollaron de forma equivalente a otros tipos de puentes tales como los de celosías, arco y colgantes. Sin embargo, desde la finalización del puente Strömsund en 1955, el puente de cables atirantados se ha perfeccionado continuamente. Durante este tiempo se ha presentado en muchas mas variantes que cualquier otro tipo de puente.
El puente de cables atirantados se ha empleado para un intervalo de luces comprendido ente 150 y 400 metros. Recientemente, se ha comenzado a incrementar el intervalo de luces hasta los 900. El desarrollo de estos puentes se puede ver reflejado en el cuadro 6.1
6.2.
Disposición y elementos de puentes de cables atirantados.
Este tipo de puentes esta formado por la viga del puente, los cables y las torres. La forma de transmisión de las cargas se puede ver en la figura 6.1
AÑO TRAMO (metros) NOMBRE PAIS MATERIAL VANO CENTRAL
1955 183 Stromsund Suecia Acero
1957 260 Theodor Heuss Alemania Acero
1961 302 Severins Alemania Acero
1969 319 Knie Alemania Acero
1970 350 Duisburg-Neuenkamp Alemania Acero
1975 404 St. Nazarie Francia Acero
1983 440 Barrios de Luna España Hormigón
1986 465 Alex Fraser Canadá Mixto
1991 490 Iguchi Japón Acero
1992 530 Kvarnsund Noruega Hormigón
1995 856 Normandy Francia Acero
1999 890 Tatara Japón Acero
Cuadro 6.1. Puentes atirantados en el mundo.. 75
Figura 6.1. Representación de como se transmiten los esfuerzos los elementos del puente.
Figura 6.2. Configuración de cables en abanico.
6.2.1.
Disposicion de cables.
En cuanto al sistema de cables nos podemos encontrar con dos configuraciones: sistema en abanico y en arpa.
La configuración en abanico da lugar a un sistema estructural más eficaz, ya que se compone en su totalidad de triángulos. El sistema en arpa contiene principalmente cuadriláteros y, por tanto, se requiere una resistencia a laflexión adicional de la jácena o de la torre, con el fin de soportar una carga no uniforme. En el sistema en abanico es complicado anclar todos los cables en un punto de la parte superior de la torre. Para evitar esto se emplea un sistema en abanico modificado de forma que el anclaje se extiende a una cierta distancia. Si este anclaje se concentra en una zona relativamente reducida no existe diferencia entre el sistema de abanico puro y el modificado.
En el sistema en arpa se puede aumentar la eficacia mediante la adición de apoyos intermedios en los
Figura 6.4. Conexión de las torres a la subestructura
Figura 6.5. Ubicaciones de los planos de cables. a) un plano vertical sobre linea media b) dos planos verticales en las aristas de la jácena y c) dos planos de cables inclinados.
tramos laterales.
6.2.2.
Condiciones de apoyo.
Los puentes de cables atirantados generalmente se construyen como sistemas autoanclados, en los que las condiciones de apoyo se eligen de forma que la carga vertical procedente del peso propio introduzca únicamente reacciones verticales.
Esta carga se puede obtener apoyando la viga de rigidez (jácena o tablero de puente) en una estructura de apoyofija y en tres estructuras de apoyo móviles longitudinalmente, para un sistema con las torres sujetas a la viga de rigidez. Lafigura 6.4 muestra un sistema con una estructura de apoyo empotrado en el extremo y torres unidas rígidamente a la infraestructura.
6.2.3.
Posicion de planos de cables y tipos de jácenas.
En la sección transversal, el sistema de cables generalmente está dispuesto en un plano vertical sobre la línea media, en dos planos verticales en las aristas de la jácena o en dos planos de cables inclinados, como se muestra en la figura 6.5.
Un plano de cables centrales con los cables de vientos sujetos a lo largo del eje del tablero proporciona apoyo vertical, pero no apoyo torsional. Por tanto es necesario que la jácena posea suficiente resistencia a la torsión para transmitir cualquier momento de torsión de una carga con resultante excéntrica.
Con dos planos de cables verticales sujetos a lo largo de las aristas de la jácena, se proporciona apoyo tanto vertical como torsional mediante el sistema de cables, y por tanto no se requiere que la jácena posea la resistencia a la torsión. También se consigue esto mediante dos planos de cables inclinados.
Figura 6.6. Disposición de plano de cable central
Figura 6.7. Disposición de planos de cables paralelos
6.2.4.
Las torres.
La configuración de la torre está estrechamente relacionada con la disposición del sistema de cables, ya que la función principal de la torre es soportar los cables. En puentes con un plano de cable central, la torre se puede diseñar como un soporte aislado o como una estructura en forma de lambda, como se puede ver en la figura 6.6.
La torre vertical aislada en el centro del tablero del puente es muy apropiada para soportar un sistema de cables tanto en forma de abanico como de arpa, mientras que la torre en forma de lambda requiere un sistema en abanico modificado.
En puentes con dos planos de cables verticales, la torre puede constar de dos soportes verticales o formar estructura de pórtico, como se observa en la figura 6.7
Con dos planos de cables inclinados, en muchos casos la torre tiene forma de A, tal y como se muestra en lafigura 6.8
La sección transversal de la torre forma generalmente un cajón rectangular con una única celda. Debido a la compresión predominante, es necesario rigidizar las chapas laterales, principalmente con rigidizadores longitudinales.
En las zonas de anclaje de los cables, quizás sea necesario añadir diafragmas horizontales y/o mamparas verticales más resistentes, para garantizar la transmisión de las fuerzas de los cables a la sección transversal de la torre y a los cables del lado opuesto.
6.2.5.
Cables.
Es el elemento fundamental de la estructura resistente de un puente atirantado. Estos proporcionan una serie de apoyos intermedios mas o menos rígidos.
Figura 6.9. Cable cerrado
Una de las ventajas de la aplicación de un sistema de apoyo por cables a los puentes es el hecho de que el acero de los cables puede fabricarse con una resistencia mucho mayor que el acero de construcción.
En cuanto a los alambres de acero estirado en frió, de un diámetro de 5-7 mm, se obtiene fácilmente una resistencia a la rotura de 1600 MPa, mientras que el acero de construcción posee una resistencia a la rotura de entre 350-500 MPa. Esta diferencia implica, que un elemento bajo tracción pura, si está fabricado en acero de cables, tendrá una sección transversal (y peso) que es sólo del 25-33 % de lo que se necesitaría en un acero de construcción.
Cada cable se compone de un gran número de alambres, o bien de forma circular y diámetros compren-didos entre 5-7 mm, o bien de una forma especial que proporciona un grado mayor de compacidad y una superficie mas densa.
En el denominado cable cerrado, figuras 6.9 y 6.10, las capas se componen de alambres en forma de z que se unen apretadamente, mientras que las capas de alambres interiores son cilíndricas. Todas las capas son helicoidales entre ellas, la dirección de una hélice cambia de una capa a la siguiente.
Debido a la torsión de los alambres, el cable cerrado se hace autocompacto, de forma que no es necesaria envoltura. Al mismo tiempo, los alambres en Z entrelazados de las capas exteriores garantizan una superficie compacta del cable bajo tracción y, por tanto, la resistencia a la corrosión necesaria menudo puede obtenerse galvanizando los alambres.
En otro tipo de cable, el torón de alambres paralelos (TAP),figura 6.11, los inconvenientes delfilamento helicoidal se eliminan al estar todos los alambres paralelos y rectos (o retorcidos con un colchado de paso muy largo correspondiente a un ángulo de torsión inferior a 3o).
Con los cables paralelos y rectos, el cable no posee un efecto autocompacto. Por tanto , necesita una envoltura especial para mantener unido el mazo de alambres y establecer la necesaria protección frente a la corrosión.
En los primeros puentes atirantados con TAP los alambres estaban sin tratar (no galvanizados) y la protección frente a la corrosión se creaba colocando los alambres dentro de un tubo de polietileno, en el que
Figura 6.10. Cable cerrado
Figura 6.12. Montaje de viga en cajón
Figura 6.13. Montaje de viga compuesta
se inyectaba lechada de cemento después del montaje del cableado.
6.2.6.
La jácena o tablero.
El tablero interviene en el esquema resistente básico de la estructura del puente atirantado porque debe resistir las componentes horizontales que le transmiten los tirantes. Estas generalmente se equilibran en el propio tablero porque su resultante, al igual que en la torre, debe ser nula.
En puentes de acero, el tablero se compone de paneles de acero rigidizados. La chapa del tablero gen-eralmente tiene un espesor de 12-14 mm y está rigidizada mediante nervios longitudinales, que proporcionan apoyo a lo largo de la líneas que están a una distancia de 300 mm, es decir, con nervios trapezoidales unidos cada uno a lo largo de dos líneas, la distancia entre los centros de los nervios es de 600mm.
Los nervios longitudinales se apoyan en las vigas transversales o diafragmas separados a una distancia de 2’5-4 m, y estos elementos transversales se unenfinalmente a la viga principal. De este modo, la transferencia de cargas por rueda concentradas, que actúan en el tablero, hacia la viga principal, provoca laflexión en la chapa del tablero, así como la flexión más el cizallamiento, tanto en los nervios longitudinales como en las vigas transversales o los diafragmas.
Las almas y la chapa inferior de la viga en el cajón también tienen que rigidizarse mediante nervios longitudinales y transversales. En este caso, el objetivo principal de los rigidizadores es impedir el pandeo.
Para una jácena con una sección transversal abierta y un tablero de hormigón, se puede obtener un sis-tema estructural eficaz aplicando vigas armadas directamente bajo los planos de los cables e interconectando estas vigas principales por medio de jácenas transversales a intervalos de 3-5 m.
Con este sistema, las jácenas transversales están sometidas a momentos positivos en su longitud completa, de forma que se pueden beneficiar totalmente de una actuación conjunta con la losa de hormigón. De modo parecido, la acción conjunta también es favorable para las jácenas longitudinales, que están sometidas a
Figura 6.14. Representación del puente atirantado elegido para su estudio.
compresión por los componentes horizontales de la fuerza de los cables.
6.3.
Elección del tipo de modelo.
En la sección anterior se han contemplado las diferentes disposiciones de los elementos estructurales para los puentes atirantados.De entre ellas se ha elegido un puente atirantado con los siguientes elementos:
Disposición de tirantes en abanico
Sistema de tirantes en dos planos verticales en las aristas del tablero. Base de las torres (pilonos) conectadas rigidamente a la subestructura.
En la figura 6.14 se puede observar un modelo del puente bajo estudio realizado con 3DStudio, el cual se someterá a la aplicación de la herramienta creada. Se puede ver que es una disposición típica de este tipo de puentes.
El puente bajo estudio se puede asemejar a un puente de España situado en la provincia de Pontevedra, Puente de Rande,construido en 1978 y proyectado por Fabrizio de Miranda,figura 6.15. Este puente consta de:
Haces principales: 9 tirantes. Haces de compensación: 7 tirantes Dimensiones de 147 + 401 + 147 m. Hormigón pretensado
Figura 6.15. Puente de Rande, en la provincia de Pontevedra, España
En la figura 6.16 se observan las dimensiones del puente que se someterá a estudio.Este puente consta de un ancho de 26 metros, 13 metros para cada sentido de circulación.
Haces principales: 7 tirantes. Haces de compensación: 5 tirantes Dimensiones de 130 + 385 + 130 m.
Como condiciones de contorno se encuentra apoyado en los extremos del puente y las pilas se encuentran empotradas en la base.
