Articulo Puentes En Concreto Reforzado 21c19

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ESTADO DEL ARTE DE LOS PUENTES EN CONCRETO REFORZADO William Ospino Díazgranados Ingeniero Civil III semestre, Maestría Construcción de Obras Viales

RESUMEN Los puentes de concreto reforzado son los puentes más utilizados en la construcción de infraestructura vial urbana y rural, estos se clasifican en 3 tipos, de losa maciza, de losa y viga, y puentes continuos, su diseño está basado en el análisis de los momentos, como una estructura de concreto simplemente apoyada, por lo que se evalúan las cargas vivas y muertas que actúan sobre la superestructura, y luego se evalúan las cargas sobre la subestructura cuyo diseño está dominado por el empuje del suelo sobre los estribos, más que por la reacción de los apoyos. La construcción de los puentes en concreto se divide en dos grupos de metodologías, Construcción “in situ” y elementos prefabricados, la decisión de elegir un método o el otro, depende de variables como el tiempo, y los vanos de los puentes, por encima de las cargas solicitadas. PALABRAS CLAVES: Puentes, Concreto reforzado, Prefabricados, Método AASHTO LRFD, Apoyos ABSTRACT Reinforced concrete bridges are bridges used in the construction of urban and rural road infrastructure, these are classified into 3 types, solid plate, plate and beam, and continuous bridges, the design is based on the analysis of the moments , like a concrete structure simply ed so evaluates the live and dead loads acting on the superstructure, and then evaluated on the substructure loads whose design is dominated by the earth pressure on the abutments, but by the reaction of the s. The construction of bridges in particular is divided into two groups methodologies Construction "in situ" and prefabricated, the decision of choosing one method or the other, depending on variables such as time, and the openings of the bridges, above of applied loads. KEYWORDS: Bridges, Reinforced Concrete, Prefabricated, AASHTO LRFD, .

1. INTRODUCCIÓN Con el objeto de presentar una revisión de la situación actual en materia de diseño y construcción de puentes en concreto reforzado se han consultado fuentes bibliográficas académicas y también informe de proyectos relacionados con el tema. Los puentes en concreto reforzado son de los más populares en los proyectos de infraestructura vial, no solo por su facilidad en el diseño, sino también por las bondades que se obtienen a trabajar con un material tan estudiado y conocido, lo sugiere que uso no se debe tanto al diseño si no a su construcción.

Los puentes en concreto reforzado son de montaje rápido, ya que iten en muchas ocasiones elementos prefabricados (Fig. 1), son resistentes, permiten superar luces mayores que los puentes de piedra, aunque menores que los de hierro, y tienen unos gastos de mantenimiento muy escasos, ya que son muy resistentes a la acción de los agentes atmosféricos.

Los puentes actualmente, son prácticamente indispensables en cualquier proyecto interesante de infraestructura vial, no solo por su función de separar flujos continuos, sino también por su belleza, y los puentes de concreto reforzado no se han quedado atrás tampoco en el aspecto arquitectónico.

Fig. 1. Partes de un Puente en Concreto

2. PUENTES EN CONCRETO REFORZADO

Fuente: Curso de Puentes en Concreto, Vallecilla Carlos, Bogotá 2004.

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2 Los tenemos como puentes en losa maciza que no sobrepasan los 8m de longitud, y o de losa y viga que pueden llegar hasta los 28 m. Aspectos del Diseño: Para el diseño de cualquier puente es necesario conocer los momentos flexionantes, las deflexiones máximas, las reacciones en los apoyos y las características del suelo, pero todo esto se calcula con respecto a las cargas, y en el diseño de puentes la carga muerta la determina la geometría de las secciones y los materiales, y esta será la única cosa que nos variará, puesto que la cargas vivas en todos los tipos de puentes, dependerán del vehículo de diseño, que para el caso de Colombia es el C40-95 (Fig. 2).

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El Código Colombiano incluye los efectos dinámicos de las cargas móviles sobre los puentes como una fracción de la carga viva de acuerdo con la siguiente ecuación (1) (1) Por otro lado, están las fuerzas longitudinales que actúan en dirección longitudinal al puente, dependen del tráfico, debido que son generadas por el frenado del mismo, así también están las fuerzas centrifugas generada por el movimiento de la carga viva, obedeciendo a la siguiente ecuación (2). (2) Por último contemplamos las cargas de viento, que es una carga lateral sobre los puentes, cuya magnitud depende de factores como la velocidad del viento, su dirección y la geometría del puente, y estas se aplican uniformemente sobre toda la superficie expuesta del puente. Métodos de Diseño Los métodos de diseño de puentes de concreto, fuera de Colombia, están basados en el análisis de los momentos generados por las cargas que actúan sobre el puente, recomendando los refuerzos requeridos para soportar los momentos.

Fig. 2. Vehículo de diseño. Fuente: Código Colombiano de diseño sísmico de puentes.

En ese orden de idea, estamos hablando que la característica que nos determinará el diseño de un puente es el material con el que está hecho, y en este caso estamos hablando de puentes en concreto reforzados. Entendemos que entonces tendremos: Líneas de Carga, Momentos y esfuerzos cortantes de diseño (Fig. 3).

Método Standard AASHTO: método de diseño por esfuerzos simples y el método por factores de carga. Basado en la norma AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges, 16º edición, la cual establece dos métodos de diseño de puentes, el método de tensiones isibles (ASD: Allowable Stress Design) y el método por factores de carga (LFD: Load Factor Design) o método de la rotura. Para las tensiones isibles, se considera un concreto de resistencia f’c= 25 MPa, y un acero de resistencia Fy= 420 MPa, parte de la condición que el concreto no resiste a tracción, el acero resiste toda la tensión. Método AASHTO LRFD: “Método de Diseño por Factores de Carga y Resistencia”, la cual toma en cuenta la resistencia media estadística, las cargas medias estadísticas, la dispersión de ambos por medio de la desviación estándar y el coeficiente de variación, también considera los Estados Límites de: resistencia, fatiga, fractura, servicibilidad, constructibilidad y la existencia de eventos extremos.

Fig. 3. Líneas de Carga para camión C40-95. Fuente: Código Colombiano de diseño sísmico de puentes.

Otro aspecto importante que introdujo esta norma es la forma de combinar las cargas, ya que ésta considera algunos factores que van a cambiar el margen de seguridad del puente, dando una mayor confiabilidad a la estructura. Evalúa estados límites como: Límite de Servicio (cargas de servicio), Límite de fatiga y fractura (daños), Limite

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de resistencia (materiales), Eventos extremos (sismos, inundaciones, etc.) Refuerzo de Acero Empíricamente sabemos que la losa de concreto de un puente tendrá 4 líneas de refuerzo, 2 ligados al refuerzo principal, y otras 2 ligadas al refuerzo por temperatura, la cuantía de acero en la losa estará ligada principalmente a su geometría, para ambos casos, más que para los esfuerzos generados, salvo en el voladizo de la losa, el cual se diseña de por medio de otro análisis, donde obtendremos un refuerzo para las tensiones generadas por el momento de voladizo.

Se puede determinar con la ecuación 8, como cuantía mínima ρ min= 14/Fy , Min 0,0014 (8) Apoyos del puente Los apoyos de puentes juegan un papel importante en el diseño de puentes. Los apoyos son diseñados para transmitir la carga de la superestructura a la subestructura, permitiendo a movimientos específicos y rotación de la superestructura causada por el viento o efectos sísmicos, variaciones de temperaturas, desviaciones de cubierta, hundiendo de cualquiera de los apoyos, el elástico que se acorta debido a se arrastra, el encogimiento o la preacentuación, etc.

En cuanto a las vigas, en caso de puentes de losa y viga, el refuerzo que tendrá necesariamente 2 líneas de refuerzo principal, uno para la flexión y otro para la tensión, ambas cuantías se obtienen de la envolvente de momentos.

Tabla 1. Tipología de Apoyos Tipo de Material Apoyo

Se halla la cuantía que soportan los esfuerzos (ecuación 3), utilizando la resistencia a la compresión, y la resistencia a la tensión del acero, utilizando el 75% de la cuantía por esfuerzo como máximo, y la cuantía mínima como rango inferior.

Neopreno Zunchado

Elastómeros

Caja

Elastómeros

Deslizantes

Elastómeros (Teflón)

Neopreno Zunchado Anclado

Elastómeros con Pernos

Metálicos Fijos

Acero

Metálicos Móviles

Acero

Luego se halla la cuantía necesaria por la geometría del puente, hallando el área de acero con la ecuación 4, y comprobando la cuantía con la ecuación 5, para luego comprobar que esté dentro del rango de la cuantía por esfuerzos. Acero de Refuerzo Principal:

(3)

(4) (5) Acero de refuerzo por distribución: este acero debe colocarse en el lecho inferior de todas las losas, transversalmente a la dirección del refuerzo principal, para lograr una distribución lateral de las cargas vivas concentradas, la cantidad será un porcentaje del refuerzo principal requerido para el momento positivo, se calcula: Refuerzo P/pal ║ al tránsito, ecuación 6. %= 55/√s , Max 50%, donde s = longitud de la luz. (6) Refuerzo P/pal ┴ al tránsito, con la ecuación 7. %= 121/√s , Max 67% (7) Refuerzo por temperatura: 0.0018 para un Fy de 4200 Kg/cm2

Esquema

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Rotulas de Concreto

Concreto

Péndulos de Concreto

Concreto

Fuente: Nota técnica sobre aparatos de apoyo para puentes de carretera, Instrucciones de Construcción, España, 1995.

Estribos y Pilas: La subestructura de los puentes está compuesta de los estribos y pilas, la cimentación y los aparatos de apoyo. La subestructura soporta las cargas originadas en la superestructura y las transmite al estrato resistente. Los estribos se trata de muros de contención que soportan el relleno del y deben tener las dimensiones suficientes como para evitar la erosión y que se despliegue el relleno; éstos deben protegerse contra el volteo, deslizamiento, desplazamientos laterales, fracturas del subsuelo y la descarga de los pilotes cuando estos existan, tal como cualquier otro muro de contención. El otro elemento las pilas son prácticamente columnas que se construyen cuando el obstáculo a salvar es lo suficientemente ancho como para ser salvado con una sola luz del puente, por lo que se requieren apoyos intermedios, que unirán los vanos que se produzcan. Estos suelen ser de diferentes tipos: tipo caballete, tipo columna, tipo muro macizo, tipo eje simple, y tipo pórtico. Aspectos de la Construcción: En cuanto a la construcción de los puentes de concretos tenemos dos grandes metodologías, los procesos In situ, y los prefabricados. Según Juan Carlos Ibagué, para las tipologías de puentes losa maciza, y puentes de losa y vigas, se acostumbra a realizar procesos constructivos “in situ “. El proceso constructivo se pude resumir en los siguientes pasos; el montaje de los elementos de apoyo, la construcción del encofrado, el armado del acero de refuerzo, la función de los elementos del puente; cimentación, estribos, superestructura, desencofrado, instalación de elementos menores tales tomo barandas y acabados. 18 de Mayo de 2013.

El encofrado se retira una vez el concreto haya adquirido la resistencia requerida que se toma de 28 días a no ser de que se use un acelerante para el fraguado del concreto, durante el proceso de fraguado es necesario mantener el concreto hidratado para evitar que se presente retracción en el concreto, esto se conoce como curado, la hidratación del concreto se realiza aplicando agua directamente o telas de fique mojado aunque existen muchas otras técnicas. Durante la construcción de la formaleta las vigas de debe realizar la contra flecha en la formaleta de tal forma que al fundir el concreto es te tenga la curvatura deseada. Durante la construcción se debe garantizar se cumpla con los recubrimientos especificados protegiendo así que el acero de refuerzo no quede expuesto a condiciones ambientales que lo afecten. Equipos de Construcción. Durante la construcción de puentes de concreto in situ, es absolutamente necesario una planta de concreto, o mezcladores de concreto hidráulico, que suministre la mezcla necesaria para la construcción de los estribos, pilas, vigas, tablero y andenes. Así mismo, otra planta que suministre la mezcla de concreto asfaltico necesaria para la carpeta de rodamiento del tablero, que también requerirá de los equipos requeridos para la extendida y compactación del concreto asfaltico. Supliendo estas necesidades tenemos entonces pasamos a los equipos necesarios para la construcción de los cimientos y los estribos, en un concreto de losa maciza es posible que la cimentación del puente sea solo superficial, por lo que solo necesitaremos equipos de excavación mecánica simple, como retroexcavadoras y equipos de transporte de material, pero en caso de cimentaciones profundas, ya sean pilotes o caissons, estas excavaciones profundas, requerirán del uso de piloteadoras, dragalinas, perforadoras o según indique el diseño de la cimentación. Una vez se termine la construcción de la cimentación, se pasara la construcción de los estribos o de las pilas que se necesiten, Para el caso de los estribos el proceso se realizará como si estuviéramos construyendo muros de contención, podríamos tener estribos de puentes en concreto ciclópeo, concreto reforzado y tierra armada. El concreto ciclópeo requerirá de equipos de cargue para la movilización de los bloques de roca, para el concreto reforzado llegaremos a recurrir a equipos de izaje para la elevación de la malla de refuerzo, ya en el caso de tierra armada, los equipos de compactación serán los que hagan falta.

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En cuanto a las vigas y el tablero, como se había mencionado antes, dependerá de la metodología, ya sea in situ, o prefabricados. Cuando se trate de construcción in situ, lo principal será la formaleta y los equipos de vaciado y vibrado del concreto. Si estamos hablando de prefabricados, será necesario el uso de equipos de izaje, cabe destacar que uso de elementos prefabricados debe incluir en su diseño la situación de izaje, por lo que los elementos tendrán que resistir tensiones iniciales en condición especial. Prefabricados Los prefabricados tienen dos funciones o ventajas frente a la construcción in situ, reduce los tiempos de construcción, y mejora la calidad de la obra, tanto en acabado como en materiales. Para la superestructura estamos hablando de la prefabricación de las vigas, en el siguiente grafico (Fig. 4) podemos ver la relación de las secciones típicas conocidas y su capacidad para salvar obstáculos (los vanos).

En los terraplenes de al puente o en los cortes que se realizan en los alrededores, se colocan aleros en los costados de los estribos. Hay varias alternativas a usar en función de la altura del muro de contención, del empuje de tierra y sobrecarga a que vaya estar sometido. Para muros hasta de 6m, se pueden usar losas extruidas con espesores hasta de 30 cm y para muros de mayor altura o con carga axial fuerte se utilizan secciones doble T. Cuando un puente tiene más de un claro, los apoyos intermedios se pueden construir con columnas huecas prefabricadas de concreto reforzado con o sin ménsulas para recibir las vigas portantes sobre las que descansarán las vigas longitudinales Las juntas se localizan en medio de dos tableros de puente. Sus funciones son: • Proveer una transición suave entre los módulos del puente que forman la superficie de rodamiento • Evitar la filtración de agua y otras substancias químicas que oxidan y corroen los elementos de la subestructura que están por debajo de la superficie de rodamiento • Permiten el desplazamiento longitudinal de la estructura Al igual que los apoyos, existen muchos tipos de juntas pueden ser de materiales elastoméricos o ensambles de un mecanismo metálico integrado con otros materiales plásticos.

Fig. 4. Secciones recomendadas para distintos vanos. Fuente: Jorge Martínez, Diseño de puentes con elementos prefabricados y presforzados.

Las losas suelen diseñarse en forma de fichas que encajan unas con otras para cubrir el área del tablero, no son muy recomendables en los puentes vehiculares, debido a la falta de unión de los elementos que puede generar vibraciones mayores, pero son una excelente opción para los puentes peatonales. En el caso de la Subestructura, el poder construir estribos y pilas en elementos prefabricados especialmente para los puentes urbanos, es una gran ventaja, puesto que esto acelera enormemente la construcción del puente, el ahorro de tiempo es un factor importante para el beneficio de los s que no perderán tiempos de desplazamientos en las ciudades, por la interrupción de las vías de comunicación. La construcción de los estribos puede resolverse mediante la utilización de elementos prefabricados de sección doble T colocados verticalmente y diseñados para resistir tanto el empuje horizontal de tierra, como las fuerzas sísmicas y las cargas verticales vivas y muertas.

Patologías: Todas las estructuras de concreto sufrirán de daños directamente relacionados con el tiempo, el envejecimiento de las estructuras es inevitable, aunque en muchos casos resulta un proceso acelerado debido a errores en el diseño o la construcción. Los puentes de concreto reforzado no están exentos de dichos procesos, y estos se reflejan en los daños de la estructura, los daños se pueden agrupar en la siguiente clasificación. Daños por diseño1: (Fisuras, aplastamiento local, asentamientos, volcamiento vibración excesiva). Daños por construcción: (Hormigueros, segregación, fisuración por retracción, construcción inadecuada de juntas frías, recubrimiento inadecuado, exposición de acero de refuerzo). Daños durante el funcionamiento: (Infiltración, carbonatación, corrosión de la armadura, contaminación del concreto, fallas por impacto, socavación).

1 Instituto Nacional De Vías “INVIAS” , MANUAL PARA LA INSPECCIÓN DE PUENTES, 2006

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6 Nuevas Tecnologías: El desarrollo de nuevas tecnologías para puentes de concreto reforzado, están estrechamente ligadas a las tecnología de concreto, puesto que son estructuras de concreto convencional, las metodología de construcción no han evolucionado mucho, quizá los equipos de prefabricado e izado si han avanzado, para evitar perder tiempo esperando el fraguado de la mezcla en obra, y poner en funcionamiento el puente lo antes posible, por eso la construcción de puentes peatonales con el método de losa y viga, se hace de manera casi instantánea, ya no solo las vigas se pueden prefabricar, sino también las pilas y el tablero. Los concretos de alta resistencia, son también otro avance significativo en las tecnologías para puentes, puesto que concretos más resistentes, permiten 2 mejoras, lo primero luces mayores, y lo segundo rápida puesta en operación la obra, puesto que no habrá que esperar a que desarrolle toda su capacidad de soporte para que empiece a trabajar, si podemos disparar la resistencia inicial del concreto, durante los primeros días, o hacerlo trabajar con el 75% de su capacidad. 3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los puentes tipo losa maciza tienen las siguientes ventajas: Sencillez y facilidad de construcción (encofrados, colocación del refuerzo y vaciado de concreto). Baja presión en los apoyos, bajos esfuerzos cortantes, además de buena distribución de las cargas, con bajas vibraciones. Pero tienen desventajas como, su peso elevado por metro cuadrado, además de que su principal esfuerzo es auto-sostenerse, y su poca longitud libre para salvar los obstáculos. Para los puentes de losa y viga las ventajas que se tienen son, su rigidez que reduce las vibraciones, al ser de concreto requieren de poco mantenimiento, y son fáciles de construir. Su principal desventaja es que requieren de 28 días para el desencofre, puesto que es necesario que el concreto desarrollo el 100% de su capacidad antes de entrar en servicio. En los puentes continuos se reduce la magnitud del momento flexionante positivo al centro del claro, por lo que se pueden obtener claros más largos con el mismo peralte de las trabes. Las principales ventajas de los puentes continuos son: • Menor peralte que los puentes simplemente apoyados • Se requiere un menor número de apoyos • Menos juntas constructivas, con la ventaja evidente de lograr una superficie de rodamiento sin interrupciones • La deflexión y la vibración son menores Al mismo tiempo, los puentes continuos tienen las siguientes desventajas:

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Los asentamientos diferenciales pueden causar efectos importantes en toda la estructura, por lo que su uso no se recomienda en estructuras sobre suelos blandos La colocación del refuerzo es más complicada El análisis y diseño son más complejos

Los elementos prefabricados son el principal avance tecnológico en la construcción y diseño de los puentes de concreto reforzado, no solo por los ahorros en los tiempo de construcción, sino también por simplicidad en el diseño, mayores respuestas a las solicitudes, como luces mayores, acabados superiores, materiales más resistentes, y mejor respuesta ante los sismos, entre las inquietudes que merecen más estudio con respecto a este sistema, es su respuesta a fenómenos inesperados como inundaciones, y una comparación del deterioro entre el in situ y el prefabricado. 4. BIBLIOGRAFÍA [1] OCHOA, Cristian, Diseño de superestructuras de puentes de hormigón armado. Comparación entre diseño según norma AASHTO STANDARD (método LSD) y norma AASHTO LRFD, Tesis de Grado, Universidad Astral de Chile, Valdivia-Chile, 2008. [2] MINISTERIO DE OBRAS PUBLICAS, TRANSPORTE Y MEDIO AMBIENTE, Nota técnica sobre aparatos de apoyo para puentes de carretera, Instrucciones de Construcción, España, 1995. [3] UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA, Diseño simplificado de Puentes, Guía de Estudio, UPTC, 2007 [4] MARTINEZ, Pedro, MANZANAREZ, José, Diseño de Puentes por la Norma AASHTO LRFD, Monografía, Nicaragua, 2008. [5] LOBO; William, Juntas de Puentes – Fundamentos, Caracas- Venezuela, 2000. [6] IBAGUE, Juan, Metodologías de los procesos constructivos in situ de puentes de concreto, UPTC, 2006 [7] REPUBLICA DE COLOMBIA; Manual para la Inspección de Puentes, INVIAS, Ministerio de Transporte, 2006. [8] MARTINEZ, Jorge, Diseño de puentes con elementos prefabricados y preforzados, Cap 4, Publicaciones, ANIPPAC, México, 2013.