Nuevos Métodos de construcción de Puentes

Atirantados.

Por W. Denney Pate, PE, M.ASCE, y W. Jay Rohleder, Jr., PE, SE, M.ASCE

Resumen

Un nuevo método de transporte por cable se mantiene a través de los pilones

del puente sin que les permite interactuar entre sí está dando lugar a puentes con

tramos más largos y diseños más inspiradoras que sin embargo respetan las limitaciones

presupuestarias, así como los requisitos de mantenimiento y vida útil

Se dice que la necesidad es la madrede todas las invenciones. Si ese es elcaso, entonces la necesidad demanda depuentes atirantados elegantes que puedenabarcar mayores longitudes y ser más fácilmantenimiento en el transcurso de unavida más larga ha dado un nuevo inventosigni�cativo que bien puede bene�ciar a losdiseñadores de puentes en todo el mundo.

Figura 1: El Puente Penobscot Narrows yel Observatorio

Impulsado por el deseo de impulsardiseños de puentes atirantados de un solotramo mas allá de sus límites,sin que sepierda el atractivo estético,y sin dejar deofrecer una solución económica que sea fácilde construir y mantener y construir.Una�rma de ingeniería con sede en Tallahas-see,Florida ha creado un novedoso sistemapara la conducción de cables desde unextremo de cubierta de un puente ,atravezdel pilon del puente y luego hacia abajohasta el otro extremo de la cubierta de unamanera que excluye la interacción de cablea cable.

La innovación se ha empleado en dosnuevos puentes :

el Puente de los-Glass City SkywayBridge,que lleva de la interestatal 280 através del rió Maumee en Toledo,Ohio.

El puente Penobscot Narrows,que llevade la Ruta 1 sobre el rió Penobscot,enel sureste de Maine,cerca de la costa .

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Este método ofrece bene�cios du-rante la construcción como durante lavida de los puentes.Lo más importantees que permite el uso de un númeromayor de hilos de un único cable:siendoesto el número de 156,aumentandoen este sentido un 70% del segundomas alto conocido que se ah sudadoen los EEUU.También hace posibleaumentar la distancia entre los tirantesaproximadamente en un 50% cuandose usa con fotogramas delta pre-fabricados para facilitar un solo planode tirante ,lo que resulta en diseñosestéticamente superiores.Esto se lograhaciendo que todas las hebras estén enforma paralela mientras viajan de losanclajes a la cuna del pilón y de nuevoa la cubierta.Tuberías individualessituados dentro dentro del sistema debases permite que cada hebra puedaactuar de forma independiente a loshilos adyacentes.Esto permite que loscables sean mucho más grandes porque pueden ser separados un poco ,loque se traduce en tramos más largos.

Por otra parte,el sistema de so-porte baja los costos iniciales de obracomo mano de obra y cantidad demateriales por que no se requiereanclajes en el pilón.Esto simpli�calas operaciones de construcción alpermitir todas las operaciones decable ejecutarlos en la cubierta delpuente .El sistema también es capazde extraer hebras de referencia encada estancia del cable al proporcionarun método sencillo y �able para laveri�cación de las condiciones de loscables en cualquier instancia.Debido a

que el sistema de soporte no requierehebras cementado,que puede retirarseindividualmente inspeccionados yreemplazados,incluso cuando no haytrá�co en el puente .Los propietariosdel puente de forma segura y precisaevaluar las condiciones de los tiran-tes e cualquier momento durante eltranscurso de la vida del puente.Enel caso del puente Maine,los nuevosmateriales de hebras pueden ser apro-bados de lado a lado con los materialestradicionales en un entorno real, enoposición a un proceso de simulaciónpor ordenador.

Lo que es más, el sistema de soportehace posible el uso de una variedadmás amplia de diseños de pilones consecciones transversales más pequeñasy mas elegante se puede construirmás económicamente.Ingenieros por lotanto podemos diseñar pilones que sonmucho mas inusual y estéticamenteagradable .

El diseño cuna funciona con el�ujo de las piezas debido a las fuerzastransmitidas a través de la cuna com-primen, naturalmente, el pilón de unamanera e�ciente,las tensiones radialesaplicadas a lo largo de la curva.En lossistemas tradicionales,los fondeaderosde la torre requieren grandes lazos detensión para resistir elevadas fuerzasde división que se generarían.Usandoel sistema de de bases elimina este re-quisito y mejora aún mas la eleganciade las formas pilón.

El desarrollo de esta nueva técnica se

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inició a principios de 2000.El departa-mento de transportes de Ohio(ODOT)y el consejo del Área Metropolitanade Toledo gobiernos habían formadolo que se llamó el comité de diseño rióMaumme Task Force Crossing paraevaluar y comunicar a perspectiva delas comunidades en el desarrollo deldiseño .El grupo de trabajo eligió elvidrio como el tema para el nuevopuente atirantado.Las reuniones queinvolucran a los diversos sectores dela comunidad habían tenido en cuentalas opiniones del publico en general,elpuente iba a representar el vidrio deuna manera muy visible y llamativoen el reconocimiento del patrimonioindustrial de Toledo como líder de laindustria del vidrio.Muchas familiashabían trabajado en la industria localdel vidrio y que era importante paraellos que el cruce sea un símbolo de la�ciudad de cristal�.El público tambiénera de la opinión de que el diseño delpuente debe defender un productoque había sido de gran importanciapara la economía de la zona.El grupode trabajo determinó además que losresidentes querían que el diseño delpuente sea ligera,sencilla y elegante.Figg llevó dos talleres comunitarios,o charettes diseño, durante la cual elpúblico se presentó con una variedadde opciones estéticas. La votaciónde la Comunidad mostró una clarapreferencia por un diseño de un solopilón. El consenso fue que mediante lacreación de una sola altura pilón-403pies (123 m) -usar vidrio en los 196primeros pies (60 m) y en los cuatrolados, el nuevo puente sería visualmen-

te impresionante. De acuerdo con estadirectiva, la parte superior de la torreseria de una forma prismática, suspaneles de vidrio tratado que re�ejanla luz del sol durante el día en loscuatro lados. Tras el cristal son diodosemisores de luz (LED) que permitenel pilón a presentarse como un faroen la noche. (Las luminarias LED soncontrolados de forma remota y capazde literalmente millones de combina-ciones de colores. De hecho, variosesquemas de color se han programadopreviamente, algunos esquemas quemarcan los principales días festivosy otros que exhiben los colores delequipo para eventos deportivos entodo el estado.)

El ODOT había determinado queel puente era tener una superestruc-tura segmentaria prefabricado y quesu tramo principal atirantado era pro-porcionar 120 pies (36,5 m) de alturalibre y 400 pies (122 m) de espaciohorizontal para el canal de navegación.Desde ese canal corre a lo largo dellado norte del río, la torre podría sercolocado en el centro sin interrumpirlas operaciones de envío. El pilón, quese eleva 440 pies (134 m) sobre el río,es ahora la segunda estructura másalta en Toledo, sólo un poco más cortoque un rascacielos de la señal cercanaque durante muchos años sirvió comosede de Owens-Illinois, una compañiade vidrio y plásticos.

La comunidad también votaronpor un margen de tres a uno para unsolo plano de tirantes, lo que re�eja

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su deseo de una estructura que seríavisualmente particular pero no inter-�era indebidamente con vistas al río ysepararía claramente hacia el norte yhacia el sur en el trá�co la carreteraen sí.Una votación adicional revelóuna preferencia por una disposición deventilador en los tirantes, lo que atraerla mirada hacia arriba, machihembra-do muy bien con el tema elegido porel grupo de trabajo para el proyecto:"½Mira hacia arriba, Toledo.El uso derevestimiento de acero inoxidable enel alojarse cables-que re�eje la luz deldía en mucho la misma manera que laparte superior de la torre-también fuevalorado. La entrega de un diseño paralograr esta visión signi�caba el usode grandes tirantes, muy espaciados.Como el diseño desarrollado, Figgtambién se centró en asegurar que eldiseño sería e�ciente y que el puentetendría una vida útil de más de 125años.

El ODOT había determinado queel puente era tener una superestruc-tura segmentaria prefabricado y quesu tramo principal atirantado era pro-porcionar 120 pies (36,5 m) de alturalibre y 400 pies (122 m) de espaciohorizontal para el canal de navegación.Desde ese canal corre a lo largo dellado norte del río, la torre podría sercolocado en el centro sin interrumpirlas operaciones de envío. El pilón, quese eleva 440 pies (134 m) sobre el río,es ahora la segunda estructura másalta en Toledo, sólo un poco más cortoque un rascacielos de la señal cercanaque durante muchos años sirvió como

sede de Owens-Illinois, un vidrio yplásticos compañía.

Algunos de los puentes atiranta-dos en los estados desatados diseñadospor Figg han ofrecido sillas de montaren sus pilones para llevar a los tirantes.Los ejemplos incluyen Puente de laFlorida Sunshine Skyway (un máximode 82 hilos por cable estancia), quecruza la Bahía de Tampa (ver "Pun-tos de referencia en América CivilHistoria Ingeniería: Sunshine SkywayBridge,Ïngeniería Civil, noviembre/ diciembre de 2002, páginas 162 a163); el Puente-Varina Enon, cercade Richmond, Virginia (un máximode 90 hilos por cable estancia); yla bahía de Chesapeake y DelawarePuente Canal, cerca de St. Georges,Delaware (un máximo de 85 hilos porcable estancia). Sin embargo, dado elnúmero de registro de hilos utilizadoen los cables del puente-156-Toledoy el hecho de que podría ser nece-sario utilizar incluso más hebras enfuturos diseños, un nuevo sistemafue claramente necesario. Se tuvo encuenta la colocación de anclajes en elpilón, pero esto habría signi�cado elaumento de la sección transversal delpilón en un tercio, desde un ancho de23 pies (7 m) a una de 31 pies (9,5m) -que a su vez habría aumentadola cantidad total de materiales yel costo de la construcción. Dichoaumento también hubiera complicadola construcción, porque se habríannecesitado los contratistas para llevara cabo porciones de sus operacionesestresantes aproximadamente 230 pies

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(70 m) sobre la cubierta del puente.

Al analizar el aumento del tama-ño del cable estancia con el usotradicional de una silla de montar, losingenieros determinaron que medianteel aislamiento de los hilos entre sí,la interacción hebra a hebra podríaser eliminado. A principios de 2000los ingenieros Figg presentó su nuevasolución, que proporcionó cada hebracon su propio tubo de acero inoxidablecurvado dentro de una horquilla deacero. Aquí cada hebra podría pasara través de la cuna de forma indepen-diente. Evitar el uso de anclajes en elpilón hizo posible que el diseño parare�ejar las preferencias de las comuni-dades y producir una estructura conun pilón elegante y angular única, unsolo plano de tirantes muy espaciados,y un amplio uso de cristal en el pilón.

Cada �lamento de acero recubierto conepoxi ejecuta de forma independientea través de su propia. (25 mm) dediámetro de tubo de la manga 1 endentro de la cuna. Los espacios entrelos tubos de manga son cementados,bajo condiciones controladas, antes dela cuna se �ja en su lugar en el interiordel encofrado pilón. La cuna entoncesserá arrojado al pilón como una solapieza. "placas de queso"(llamado asípor los agujeros distintivos de quesosuizo) situados en cada extremo delas placas de soporte y de centradosituados en la sección curvada de lacuna se utilizan para mantener lasposiciones relativas de los tubos de lamanga. Los extremos de los tubos de

Figura 2: Veinte cunas transmiten los mayo-res tirantes conocidos en el mundo a travésde un único pilar sobre el vidrio City Sky-way Puente de Veteranos, en Toledo, Ohio.Con cables dispuestos en un solo plano, elelegante puente rinde homenaje a un mate-rial que ha contribuido signi�cativamente ala vitalidad económica de la región: el vi-drio.

manga individuales dentro de la cunase ensanchan para aliviar hebra insta-lación. A lo largo de la longitud librede los cables-estancia es que, desdeel borde de la cuna hasta el anclajeen el puente de cubierta de cada unade las hebras se aloja sólo dentro delrevestimiento para los tirantes. Lashebras se mantienen paralelos entresí por las placas de queso y los anclajes.

En el puente de Toledo, el sopor-te se extiende más allá de la torreen la dirección longitudinal. Desdeel diseño del puente utiliza 18 pulg.(457 mm) y 20 en. Revestimiento (508mm) de acero inoxidable de diámetro(que se cree que es el más grande en

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el mundo), la propia cuna también fuefabricado en acero inoxidable para unamirada uni�cada.

Antes de este nuevo sistema po-dría ser utilizado, sin embargo, tuvoque ser probado por el ODOT. Paracompletar la prueba, el departamentoprepurchased todo el sistema de tiran-tes, incluyendo la silla de montar, aprincipios de 2001. Esta prueba alejadode programa del contratista y aseguróque el dueño que los componentes delsistema de cable estarían disponiblessegún sea necesario. Las pruebas deaceptación incluía lo siguiente:

Una fatiga axial y prueba estática últi-mo se llevó a cabo sobre una muestrade 82 hebras plenamente representati-vos de todos los materiales, detalles,procesos de fabricación, y los proce-dimientos de montaje propuestos paralos anclajes de producción. Cada mues-tra consistió de dos anclajes y tenía unespacio libre de aproximadamente 180pulg. (4572 mm) entre las caras de an-claje.

Una prueba de la fatiga y la fuga axialse realizó sobre una muestra de 119 he-bras. Como parte del proceso de cali-�cación de protección contra la corro-sión para el conjunto de anclaje, el es-pécimen de anclaje para los tirantes seprobó como un sistema para detectarcualquier fuga. El espécimen de pruebaincluyó toda la zona de transición; unmínimo de 3,5 pies (1 m) de longitud

libre; y todos los sellos, revestimientosy recubrimientos que se iban a instalaren la aplicación real.

Una fatiga axial y prueba estática úl-timo se llevó a cabo sobre una mues-tra de 156 hebras que era plenamenterepresentativo de todos los materiales,detalles, procesos de fabricación, y losprocedimientos de montaje propuestospara los anclajes de producción. Ca-da muestra consistió de dos anclajes ycontó con un espacio libre de aproxi-madamente 180 pulg. (4572 mm) entrelas caras de anclaje.

Pruebas cuna sola hebra también se lle-vó a cabo. Antes de realizar una prue-ba de la muestra de la cuna de tamañocompleto para combinada fatiga axial /�exión, se llevaron a cabo tres pruebassimilares en muestras un solo capítulo,cada curva para un radio diferente através del cable. El propósito de estaspruebas de un solo capítulo fue doble.En primer lugar, la prueba proporcio-na un valor para el coe�ciente de fric-ción entre la cadena de epoxi-revestidodel cable de estancia y el manguito deacero inoxidable dentro de la cuna. Ensegundo lugar, proporciona una indica-ción inicial de la resistencia a la fatigaque se espera de la interacción entrela hebra con recubrimiento epóxico delcable de estancia y el manguito de ace-ro inoxidable.

Una prueba axial / �exión, o la pruebade çuna", se llevó a cabo sobre unamuestra de 119 hebras que, de nuevo,representados plenamente todos losmateriales y procesos que se utilizarán

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en el puente real. La muestra consistióen dos anclajes y un conjunto desoporte completo para los tirantes.

La prueba de aceptación se reali-zó por CTL Group, de Skokie, Illinois,de conformidad con las Recomendacio-nes obra de referencia para la estanciaCable de diseño, pruebas e instala-ción (Phoenix: postesado Institute,1993). La prueba de estanqueidad seadaptó de la edición de 2000 de estapublicación y completó con éxito endiciembre de 2001. Los trabajos deconstrucción para el puente de Toledofue apagado para la licitación el 15 deenero de 2002, y la baja oferta de 220millones de dólares fue ofrecida por elFru- Con Construction Corporation,de San Luis. La construcción de la2.75 mi (4,4 km) de rampas, carreterasy cruce atirantado está a punto deconcluir, y la apertura se prevé enesta primavera. Como la construcciónse estaba desarrollando en Toledo, elDepartamento de Transporte de Maine(MaineDOT) fue impugnada por lanecesidad de efectuar un reemplazode emergencia del puente que lleva aEE.UU. Ruta 1 sobre el río Penobscotvincular condados Waldo y Hancock.El puente colgante existente estabaprevista para la renovación, perocuando se encontró deterioro de losprincipales cables de suspensión a sermucho más pronunciada de lo previsto,se tomó la decisión en julio de 2003para reemplazar el cruce con un puenteatirantado. Figg fue seleccionado paradiseñar el puente, que fue construidopor una empresa conjunta de Cianbro

Figura 3: Las cadenas corren continuamentedesde un extremo de la cubierta del puente,a través de la cuna curvada que se ha co-locado dentro del pilón, y de vuelta al otroextremo de la cubierta del puente (�gura1). Placas de centrado y "platos de que-so"(�gura 2) están situadas en cada extre-mo de la cuna a la posición de los tubosindividuales de acero inoxidable o mangasparalelas entre sí dentro de la cuna (�gura3). La lechada se utiliza entre los manguitosindividuales. Los extremos de las mangasindividuales se abocinada para evitar quelos bordes de la manga entre en contactocon el revestimiento de epoxi en las hebras

/ Reed Reed, llc-que operaba desdeuna ubicación adyacente al puente enVerona-a un costo de US $ 68 millones.La naturaleza de presión del procesode un diseño / construcción propietariofacilitados por proyecto y se trasladóel esfuerzo a lo largo rápidamente yhizo posible que el nuevo puente paraabrir el 30 de diciembre de 2006, sólo40 meses después de que se tomó ladecisión de sustituir la estructura.

Los que viven en las comunidades cer-canas querían que el reemplazo paracomplementar su contexto. El puenteestá situado junto a un establecimiento

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Figura 4: En 2005, como la torre del puenteen Toledo, Ohio, estaba echada, cada so-porte se levantó en su lugar con una grúay precisamente posicionada para satisfacerlas especi�caciones geométricas requeridas.

militar de importancia histórica, FortKnox, el primer puesto militar enMaine a haber sido construido degranito en lugar de madera. El generalHenry Knox, para quien la fortalezase nombra, sirvió con distinción comocomandante de artillería del presidenteWashington y fue el primer secretariode guerra del país. Agregando a laprimacía de granito es el hecho de quese utilizó en el núcleo del monumentoa Washington. Las comunidades porlo tanto se sienten especialmenteconectados con el material, como se veen el tema que desarrollaron para elproyecto del puente: ". Granite-simpley elegante"Por tanto, el puente fue

diseñado para ser construido de fun-dición de concreto en la estructuraformada en ascensores que en tamañoy la forma que sugieren grandes blo-ques que se mezclan con los estratosde roca agreste de la región. Además,se utilizó granito en las bases de lastorres de alta tensión, y los pilonestomó la forma de los obeliscos en unguiño al monumento a Washington.Para agilizar las aprobaciones ambien-tales y entregar el puente terminadolo antes posible, las fundaciones Pilónpor los 1.161 pies (354 m) de tramoprincipal atirantado se colocaron enlas riberas de los ríos. Como se estabadesarrollando el diseño, las comunida-des expresaron dudas con respecto alas torres de alta tensión, que iban aser más de 400 pies (122 m) de alturapara acomodar el tramo principal. Enrespuesta, el equipo de diseño se volvióesa altura en una ventaja mediante lacreación de un observatorio públicode tres pisos en la cima de un pilóndel observatorio más alto del puentepública en el mundo y con vistas tantoa Fort Knox y la costa de Maine.Una mayor conciencia de la corrosióndel cable del estado llevó MaineDOTpara explorar todos los métodosposibles para reducir al mínimo elpotencial de corrosión en el puenteatirantado. Se proporcionaron variascapas de protección para las hebras,incluyendo recubrimiento epoxi en lashebras, un sistema de gas nitrógenoa presión que crea un ambiente queinhibe la corrosión en cada cableestancia, embalses dentro de cadaquedan para recargar automática-

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mente el sistema de gas de 2 psi(13.8 kPa ), monitores de fácil accesopara la lectura y grabación de las�uctuaciones en la presión del gas, yun revestimiento exterior que funcionacon el sistema de bases para crear unambiente hermético. MaineDOT y losparticipantes en los talleres de diseñopreferidas de polietileno de color grisclaro de alta densidad (HDPE) parael recubrimiento de cables estancia, enconsonancia con el tema estético delgranito. Debido a sus característicasde �exión, hdpe también proporcionóun material ideal para la creación decierres herméticos en las cunas y losanclajes.Para dar cabida a los medios y mé-todos preferidos del contratista, lascunas estaban un poco más a lascaras pilón. Con cada cuna totalmentedentro de los con�nes de las torres dealta tensión, que era económico paraespeci�car acero al carbono sin pintar,sin revestir (.acero negro") para lafabricación de cuna.Un tramo trasero de las curvas delpuente en dos direcciones, lo que creóproblemas geométricos durante laconstrucción. Los tirantes se originanen la línea central de la cubierta delpuente y se transportan a través ladosde las torres de alta tensión alterna. Elresultado es una forma única V en elsistema de tirantes. Esto proporcionauna abertura en el centro de un pilónpara dar cabida a un ascensor quelleva a los visitantes al observatoriopúblico en la parte superiorConstructabilidad se mejoró mediantela colocación de los soportes dentro

de un marco durante la fabricacióna nivel del suelo, topografía su po-sición a un alto grado de precisión,y después asegurar los soportes a latrama. Una vez que el marco se colocacorrectamente en el encofrado pilón, lageometría de las cunas de lado a ladose veri�có y todo el sistema echa en elpilón.La �exibilidad creada por permitiendoa cada hebra de actuar independien-temente permitió la incorporación deun sistema de monitorización de lafuerza en cada uno de los 40 cablesestancia en el puente, un sistema quese cree que es la primera del mundo.Mediante el uso de un dispositivoportátil, el propietario puede medirlas fuerzas en cada cable de estanciapara una precisión de 1 por cientoen cualquier momento dado. Regu-larmente grabación de las fuerzas decable estancia y comparándolos con losvalores predichos permite MaineDOTpara evaluar fácilmente el estado delos cables estancia y sus hebras singasto adicional, un equipo especial, ointerrupción al trá�co.Al igual que en Glass City SkywayPuente de Veteranos, una hebra dereferencia se puede aislar con �nesde investigación y análisis. Debido aesto, los diseñadores fueron capacesde ayudar tanto MaineDOT y laAdministración Federal de Carreterasen su objetivo de desarrollar nuevosmateriales para puentes mediantela sustitución de dos hebras en unacorta, una mediana y un cable de largaestancia con los �lamentos de materialcompuesto de �bra de carbono. Las

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hebras se supervisarán e inspecciona-dos en el tiempo en este ambiente deservicio del mundo real para evaluar elmaterial para uso futuro en diseño depuentes atirantados en todo EstadosUnidos.La necesidad puede haber dado lugar aesta cuna de la innovación, pero los be-ne�cios y ventajas que con�ere haberido mucho más allá de la satisfacciónde esas necesidades iniciales. La cunaatirantado ofrece un nuevo nivel de�exibilidad en el diseño de puentesde tramo largo. Al reducir los costesy haciendo que el mantenimiento alargo plazo de cables atirantados mássimples, esta tecnología permite alos puentes para lograr una vida máslarga a un costo inicial más baja. ParaToledo y comunidades tales como losde DownEast Maine, esto signi�capuentes distintivas que no sólo sirven asus propósitos, sino también mejoransus comunidades.

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