Elementos del Diseño de Elementos del Diseño de PuentesPuentes

Prof Jorge O. Medina M.

Facultad de Arquitectura y Diseño

Universidad de Los Andes

Mayo 2006

Contenido

1. Componentes de un puente.

2. Tipos de puentes.

3. Ubicación y elección de un puente.

4. Estética de puentes.

5. Cargas que actúan en un puente.

6. Diseño geométrico de vías.

7. Ejemplos.

8. Bibliografía.

Componentes de un PuenteComponentes de un Puente

Componentes del Puente

Elementos del Puente

• Sección de desagüe,

• Tirante de agua,

• Alteración del río,

• Superestructura,– Tablero:

• Baranda,

• Drenaje,

• Apoyo,

• Juntas.

• Infraestructura,– Fundaciones,– Estribos,– Aletas,– Pilas.

Sección de desagüe

• La sección de desagüe debe proporcionar un cruce con seguridad de un cursos de aguas en cualquier oportunidad, durante las crecientes probables en el tiempo útil.

Tirante de Aire

• Distancia entre el nivel máximo de aguas y la parte inferior del tablero.

Alteración del Régimen del Río

• Las pilas y los estribos disminuyen la sección por lo que:– Se incrementa la velocidad hasta el punto de erosionar el lecho

del río y socavar las fundaciones,– Remansos aguas-arriba del puente, que podría producir

inundaciones de las riberas.

Tablero

• Superficie en la cual el usuario viaja

Tablero

Tablero

Baranda

• Deben colocarse Barandas como protección y seguridad de los usuarios.

• Altura mínima 1,07 m

Apoyo

• Los aparatos de apoyo se colocan entre la viga y la superficie de apoyo.

• Se dividen en: Fijos y móviles.

Juntas

• Los borde del estribo y el tablero del puente deben ser protegidos.

Infraestructura

Fundaciones

• Tipos– Extendida: Fundación directa.– Cajón: Fundación que lleva la carga al estrato

portante.– Pilotes: Fundación indirecta que transmite la

carga a estratos más profundos.

Estribo

• Apoyos extremos del puente,• soportan las cargas del puente y• contienen el terraplén de acceso.

Aletas

• Contienen el terraplén de acceso y

• Protegen el terraplén del cauce de la corriente.

Pilas

• Apoyos intermedios del puentes.

Tipos de PuentesTipos de Puentes

Clasificación de los Puentes

Los puentes se pueden clasificar según:a) Utilidad;

b) material;

c) localización de la calzada y

d) forma de la estructura.

Clasificación de los Puentes

Utilidad• Puentes peatonales, • puentes para

carreteras, • puentes para vías

férreas, • puentes para paso de

tuberías y • puentes grúas.

Materiales• Madera, • concreto, ya sea

reforzado o preesforzado,

• metálicos y • mixtos.

Clasificación de los Puentes

Localización de la CalzadaEstructuras por debajo del tablero (Tablero superior)

• Arco• Armadura en arco

Estructura por encima del tablero (Tablero inferior)

• Colgantes• Atirantados• Armaduras de paso interior

Estructura principal coincide con el tablero

• Puentes de viga• Losa• Viga T• Viga I• Viga de ala ancha• Viga cajón de acero y

concreto• Viga compuesta de alma

llena

Forma de la estructura

• Losa,• vigas,• armadura,• arco,• atirantado y• colgante.

Puentes de Estructura en el Tablero

• Llevan la carga por flexión y corte,

• forma ineficaz de realizarlo,

• comparada con la compresión del arco y la tracción del cable.

• Son una solución económica para una gran cantidad de puentes.

• Solución típica para tramos de cortos a medios, con luces menores a los 50 m.

Viga Cajón

Viga

Puentes de Alma Llena

Puentes en Armadura• Las armaduras tienen dos ventajas. Los elementos

están diseñados a fuerzas axiales y el sistema abierto permite mayores alturas que su equivalente de alma llena. Por ello reducen la cantidad de material y peso propio.

• Estas ventajas son a expensas del incremento en el costo de fabricación y mantenimiento.

• Solución económica para tramos intermedios en un rango de 150 a 500 m.

• La armadura se ha convertido en el sistema de rigidización de puentes colgantes.

• Se puede construir mediante el ensamblaje de miembros.

• Estéticamente no es una alternativa agradable. En luces grandes, esto es insignificante por el impacto visual de la gran escala. Para luces intermedias si lo es por ello la armadura tipo Warren es una buena alternativa.

Armadura

Armadura

Esquema Típico

Puentes en Arco

• El arco es una forma más económica y la eficiencia radica en la reacción del apoyo. Si el sitio es conveniente como una valle esta solución proporciona un costo razonable, ubicando las fundaciones en las rocas.

• Puede tener altos costos de fabricación y levantamiento. Los problemas de levantamiento varían, siendo más fácil para el arco en volado y posiblemente más difícil para el arco atado.

• La forma del arco obedece a la carga permanente para eliminar la flexión.

• Estéticamente es la forma más exitosa, la persona promedio entiende al arco como entendible y expresiva. La forma curva siempre es agradable.

Esquemas de Arcos

Tipos y Luces de Arcos

Arco

Arco

Puentes Atirantado• Solución económica por el uso de cables de alta resistencia.• Los cables son rectos, por ello más rígidos que el sistema de

puente colgante. • Los cables se anclan en el tablero, generando compresión en

tablero por ello los hechos en concreto armado son ideales por resistir compresión.

• La longitud de cada cable es menor a la luz del puente, por ello se construyen con cables completos que se llevan a obra y se tensan sin necesidad de ser fabricados (hilados) en obra.

• Libertad para escoger el arreglo estructural.• Es poco eficiente para carga permanente, mejor para carga

variable que el puente colgante. Por ello, no es útil en grandes luces, el rango económico está entre los 100 y 350 m.

• Los cables se pueden colocar en la línea central.• Los cables facilitan el levantamiento del puente,

construyéndose en volados con contrapesos.• No se ha detectado hasta la fecha inestabilidad

aerodinámica.

Esquema de Cables y Torres

Luces de Puentes

Luces de Puentes

Atirantado

Atirantado

Puentes Colgantes• El principal elemento es el cable que trasmite las cargas

a las torres y anclajes. Construido con acero de alta resistencia

• El tablero se cuelga de los cables por tensores de alta tensión.

• Lo económico del cable se contrasta con el costo de las torres y los anclajes. Este último puede ser muy alto en terreno de fundación limitado.

• El cable se rigidiza mediante una cercha o vigas en el tablero. Este sistema sirve para controlar el movimiento aerodinámico y limitar las deformaciones del tablero

• La altura de la torre es una desventaja en zonas cercanas a aeropuertos.

• Es la única solución para tramos por encima de los 600 m, y compite en tramos hasta de 300 m. En tramos más cortos se han hecho incluso para pasarelas.

Esquema de Puente Colgante

Luces de Puentes

Colgante

Colgante

Longitudes de tramo para varios tipos de superestructura

Tipo de estructura

Material El rango de tramo (m)

Máximo tramo en Servicio (m)

Losa Concreto 0-12Viga Concreto 12-250 240, Hamana-Ko Lane,

Acero 30-260 261, Sava I, Atirantado Concreto ≤250 235, Maracaibo,

Acero 90-850 856, Normandia, Armadura Acero 90-550 550, Quebec

480, Greater New Orleans,

Arco Concreto 90-300 305, Gladesville, Armadura de acero 240-500 510, New River GorgeNervios de acero 120-360 365, Port Mann

Colgante Acero 300-1400 1991, Akashi Kaikyo,

Datos obtenidos estadísticamente para establecer la relación luz y superestructura

Ubicación y elección del Ubicación y elección del PuentePuente

Aspectos a Estudiar

• Para el proyecto de un puente se requiere estudiar lo siguiente:– Localización,– tipo de puente adecuado,– forma y dimensiones,– obras complementarias,– obras especiales.

Localización• Para la ubicación del puente se debe considerar

lo siguiente:– sitio (ancho de la depresión, sección desagüe,

necesidad de subdivisión),– características del subsuelo,– propósito (provisional, carretero, ferrocarilero, urbano,

viaducto), – alineamiento, – pendiente longitudinal, – rasante, – facilidades de construcción y mantenimiento, – aspecto estético en relación con el medio ambiente,

Localización– lineamiento respecto al cauce de la corriente de agua

(preferible perpendicular al puente) y una sección de desagüe suficiente (velocidades bajas).

• En cruces urbanos la ubicación es forzada por lo que se considera el aspecto estético de la estructura.

Estudios del Sitio de PuenteLos estudios a realizar en el sitio de puente son:– Estudio topográfico,

• Proporciona vías de acceso, curvas de nivel y perfiles de la vía.

– hoya hidrográfica,• Proporciona la pendiente del cause, tipo de suelo y

cultivos, datos pluviométricos, velocidad de corriente.

– suelos y geotécnicos• Proporciona los parámetros para el diseño de la

infraestructura.

Estética de PuentesEstética de Puentes

Estética de Puentes

Principios básicos a considerar en la concepción y el diseño de un puente:

– forma estructural,

– integración con el sitio.

Puente Golden Gate

Puente Golden Gate

Puente Golden Gate

Puente Golden Gate

Forma Estructural

Proporción Es la justa y armoniosa relación de una parte con otras o con el todo. Asimismo, corresponde a un conjunto ordenado de relaciones matemáticas existentes entre las dimensiones de una forma o de un espacio.

Textura Es la sensación física que produce en el tacto humano la superficie de una forma.

Forma Estructural

OrdenSon las relaciones internas de las formas que componen un edificio, de proporciones tales que su conjunto sea armonioso.

ColorEl color se utiliza en su sentido amplio, comprendiendo los del es­pectro solar, neutros también variaciones tonales y cromáticas

Forma Estructural

Luz y sombraLo que ilumina los objetos y los hace visibles. Obscuridad de forma especial que produce un cuerpo sobre otro.

Contraste Comprende más allá de las oposiciones comúnmente reconocidas.

Forma Estructural

EsbeltezDelicadeza, finura, elegancia de una cosa.

Transparencia Capacidad de dejar atravesar la luz y permitir divisar claramente los objetos a través de su espesor.

Forma Estructural

RitmoPauta creada entre división e intervalo, entre macizo y vacío.

EscalaAlude a la manera de percibir el tamaño del objeto comparado con un estándar de referencia o con el de otro objeto.

Integración con el Sitio

El puente no debe alterar, debe armonizar, complementar, mejorar etc. el sitio donde va a quedar (paisaje, vista de la ciudad, espacio urbano, ambiente).

Puentes de Manhattan y Brooklyn

Puente de Manhattan

Pittsburgh

Puente Millau

Puente Ganter

Puente Salginatobel

Puente Bixby Creek

Bixby Creek

Integración con el Sitio

Importancia en la población

Valor histórico

Valor Histórico

Firth de Forth

Cargas

Cargas

Se deben considerar todas las cargas que se esperan aplicar durante la vida útil del puente. Estas cargas se clasifican en:

– cargas permanentes,– cargas transitorias,– cargas laterales,– cargas por deformaciones– cargas por colisiones.

Cargas Permanentes

Todas las cargas originadas por el peso de los elementos de carácter permanente en el puente, tales como:

– peso de los componentes estructurales y no estructurales de puente (DC),

– peso del pavimento (DW),– peso del terraplén (EV),– empuje del suelo (EH).

Cargas TransitoriasEl automóvil es la carga vehicular más común pero el camión es el que causa los mayores efectos por lo que se realizó un camión de diseño denominado “camión AASHTO”, al cual se consideran varios efectos

– Camión de diseño,– carga de acera.– Efectos

• Fatiga,• dinámicos,• fuerza centrífuga,• fuerza de frenado,• multipresencia de vehículos.

Cargas Laterales

Estas cargas se aplican en la dirección horizontal y son las siguientes:

– fuerza del cauce de agua,– fuerza del viento,– fuerzas sísmicas,

Cargas por Deformación

Los cambios en la forma del puente originan fuerzas sobre los elementos, según su origen se clasifican en:

– temperatura,– retracción y acortamiento,– asentamientos.

Cargas por Colisión

La colisión de las unidades que transitan por el puente debe ser contemplada. Por ejemplo:

– colisión de buques en las pilas,– colisión de vagones de tren,– colisión de vehiculos.

Diseño Geométrico

Criterios de Alineamientos

• La topografía condiciona el alineamiento horizontal de una carretera, en especial los radios de curva y la velocidad de proyecto.

• La velocidad de proyecto controla la distancia de visibilidad.

• La longitud mínima de la recta de paso es 800 m.

Criterios de Alineamientos

• La rectas muy largas presentan inconvenientes.

• Debe evitarse la localización de un puente en la proximidad de una curva.– Cuando sea inevitable, la transición de

peralte de la curva no se debe extender hasta el puente.

– En condición especial de puente curvo, esta debe ser simple.

Criterios de Alineamientos

Longitud de la recta (km) Topografía Radios mínimo (m)

0,75 a 2 Llano 700

Mayor a 2 Llano 2000

0,75 a 2 Ondulado 500

Mayor a 2 Ondulado 1200

0,75 a 2 Montañoso 350

Mayor a 2 Montañoso 700

Radios Mínimos:Un alineamiento recto se debe empalmar con una curva de radio mínimo indicado en la tabla.Longitud mínima de la curva 150 m

Criterios de Pendientes

• La rasante es la línea de referencia que define los alineamientos verticales.

• Las pendientes máximas están supeditadas a la velocidad de proyecto.

• Los valores máximos de pendientes son:

Velocidad de proyecto (km/h)

50 65 80 95 110

Pendiente máxima (%)

6-8 5-7 4-6 3-6 3-5

Criterios de Pendientes

• La longitud crítica en pendiente es la que motiva reducciones de velocidad de 25 km/h.

• Deben evitarse rasantes cuyas pendientes fuertes ocasionen reducciones de más de 25 km/h.

• La longitudes críticas según la pendiente son:

Pendiente de subida (%)

3 4 5 6 7 8

Longitud crítica (m) 500 350 245 200 170 150

Criterios de Pendientes

• Las rectas del perfil longitudinal deben enlazarse con curvas verticales que proporcionen la visibilidad necesaria, drenaje satisfactorio.

• Las pendientes no deben ser menores a lo indicado

Drenaje longitudinal Pendiente mínima (%)

Cuneta sin revestir 0,5

Canal – drenaje 0,4

Cunetas revestidas 0,3

Brocales (rampas, calles) 0,3

Intersecciones

• Las intersecciones pueden ser a nivel o de varios niveles.

• Los elementos de una intersección a nivel son:– Brazo,– entrada,– salida,– ángulo.

Intersecciones a Nivel

Intersecciones

• Los elementos de una intersección de varios niveles son:– Rampas que pueden ser interiores

(movimientos a la izquierda) y exteriores (movimientos a la derecha),

– rama,– estructuras denominadas dispositivos.

Intersecciones a Varios Niveles

Trayectorias de curvatura de vehículos

Diseño del Borde de la Calzada

• El diseño de las curvas de las intersecciones se realiza según la curva del borde de la calzada.

• El diseño con vehículo P cuando el mayor porcentaje de vehículo lo constituyen los automóviles.

• El diseño con vehículo SU se aplica a todos los caminos rurales.

• El diseño con vehículos WB-40 y WB-50 se realiza cuando es muy frecuente del cruce de este tipo de vehículos.

Curva del Borde de la CalzadaVehículo de proyecto P

Curva del Borde de la CalzadaVehículo de proyecto SU

Curva del Borde de la CalzadaVehículo de Proyecto WB40 y

WB50

Ejemplos de PuentesEjemplos de Puentes

Puente Bixby Creek, EE. UU.

Puente Eads, EE. UU.

Puente Washington, EE. UU.

Puente Hell Gate, EE. UU.

Puente de Brooklyn, EE. UU.

Puente de Manhattan, EE. UU.

Verrazano Narrows, EE. UU.

Puente Williamsburg, EE. UU.

Queensborough, EE. UU.

New Orleans, EE. UU.

Skyway, EE. UU.

Yaquina, EE. UU.

Puente Cincinnati, EE. UU.

Puente Hartman, EE. UU.

Viaducto Starrucca, EE. UU.

Scotswood, Inglaterra

Viaducto Garabit, Francia

Felsenau, Suiza

Swiss Bay, Suiza

Puente Erasmus, Holanda

Great Belt Link, Dinamarca

Story Bridge, Australia

Grey Street, Australia

Bahía de Sydney, Australia

Tasman, Australia

Batman, Australia

Puente Las Américas, Panamá

Runyang, China

Bibliografía• Arnal, E. (2000). Lecciones de Puentes. Caracas,

Venezuela: s/d.• Barker, R. y Puckett, J. (1997). Design of Highway

Bridge. EE. UU.: John Wiley & Sons, Inc.• Burke Jr., M. (1995). Bridge Aesthetics: World View.

Journal of Structural Engineering, 121, 1252-1257.• Carciente, J. (1980). Carreteras, estudios y proyecto.

Caracas, Venezuela: Ediciones Vega, s.r.l.• Herrera, J. (1996). Puentes. Santafé de Bogota:

Colombia. Universidad católica de Colombia.• Ostrow, S. (1997). Bridges. Nueva York, EE. UU.:

Michael Friedman Publishing Group, Inc.• Wells, M. (2002). Puentes. Madrid, España: H.

Kliczkowski – Onlybooks, S.L.

Bibliografía• Wittfoht, H. (1972). Puentes, Ejemplos Internacionales.

Barcelona, España: Editorial Gustavo Gili, S.A.• Xanthakos, P. (1994). Theory and Design of Bridges.

EE. UU.: John Wiley & Sons, Inc.