INTRODUCCIÓN

En los sitios donde la topografía y el relieve del terreno presentan irregularidades considerables

debidas a los cambios geológicos y cauces naturales, es necesario el uso de los puentes carreteros

que servirán de enlace entre dos puntos separados por obstáculos, donde antes no existía ningún

tipo de acceso. Los obstáculos pueden ser variados y presentan condiciones que obligan a usar

diferentes tipos de estructuras, un obstáculo muy común son las autopistas en las cuales no se

puede interrumpir el flujo vehicular, para ello se construyen pasos a desnivel, los cuales son muy

comunes en países desarrollados.

Existen numerosas normas de diseño que han sido usadas durante muchos años como son las

Normas DIN (Alemania), la Norma Francesa, la Norma Británica, el Eurocode (Unión Europea), las

Normas AASHTO (USA), etc. Sin embargo, en nuestro país no se contaba con un reglamento oficial,

es por ello que estas normas fueron de alguna manera adoptadas por los profesionales dedicados

al diseño y construcción de puentes. Fue recién en Noviembre del año 2002 que la MTC – DGCF,

Dirección General de Caminos y Ferrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones,

publicó un primer intento de norma peruana de puentes con el título “Propuesta de Reglamento

de Puentes”. Propuesta que después de su debate y discusión pública se convertiría en la norma

nacional “Manual de Diseño de Puentes” desde julio del año 2003. A la vez, nuestra norma

autoriza para el diseño de puentes, las normas dadas por AASHTO, como complemento a lo

dispuesto por el Manual de Diseño de Puentes.

UAP 1

HISTORIA

El arte de construir puentes tiene su origen en la misma prehistoria (ver figura 1.1 y 1.2). Puede decirse que nace cuando un buen día se le ocurrió al hombre prehistórico derribar un árbol en forma que, al caer, enlazara las dos riberas de una corriente sobre la que deseaba establecer un vado. La genial ocurrencia le eximía de esperar a que la caída casual de un árbol le proporcionara un puente fortuito. También utilizó el hombre primitivo losas de piedra para salvar las corrientes de pequeña anchura cuando no había árboles a mano. En cuanto a la ciencia de erigir puentes, no se remonta más allá de unos siglo y nace precisamente al establecerse los principios que permitían conformar cada componente a las fatigas a que le sometieran las cargas.

El arte de construir puentes no experimentó cambios sustanciales durante más de 2000 años. La piedra y la madera eran utilizadas en tiempos napoleónicos de manera similar a como lo fueron en época de julio Cesar e incluso mucho tiempo antes. Hasta finales del siglo XVIII no se pudo obtener hierro colado y forjado a precios que hicieran de él un material estructural asequible y hubo que esperar casi otro siglo a que pudiera emplearse el acero en condiciones económicas.

UAP 2

Al igual que ocurre en la mayoría de los casos, la construcción de puentes ha evolucionado paralelamente a la necesidad que de ellos se sentía. Recibió su primer gran impulso en los tiempos en que Roma dominaba la mayor parte del mundo conocido. A medida que sus legiones conquistaban nuevos países, iban levantando en su camino puentes de madera más o menos permanentes; cuando construyeron sus calzadas pavimentadas, alzaron puentes de piedra labrada. La red de comunicaciones del Imperio Romano llegó a sumar 90000 Km. de excelentes carreteras.

A la caída del Imperio Romano, sufrió el arte un gran retroceso, que duró más de seis siglos. Si los romanos tendieron puentes para salvar obstáculos a su expansión, el hombre medieval vio en los ríos una defensa natural contra las invasiones. El puente era, por tanto, un punto débil en el sistema defensivo en la época feudal. Por tal motivo muchos puentes fueron desmantelados y los pocos construidos estaban defendidos por fortificaciones (Fotografía 1.1). A fines de la baja Edad Media renació la actividad constructiva, principalmente merced a la labor de los Hermanos del Puente, rama benedictina. El progreso continuó ininterrumpidamente hasta comienzos del siglo XIX. La locomotora de vapor inició una nueva era al demostrar su superioridad sobre los animales de tiro. La rápida expansión de las redes ferroviarias obligó a un ritmo paralelo en la construcción de puentes sólidos y resistentes. Por último, el automóvil creó una demanda de puentes jamás conocida. Los impuestos sobre la gasolina y los derechos de portazgo suministraron los medios económicos necesarios para su financiación y en sólo unas décadas se construyeron más obras notables de esta clase que en cualquier siglo anterior. El gran número de accidentes ocasionados por los cruces y pasos a nivel estimuló la creación de diferencias de nivel, que tanto en los pasos elevados como en los inferiores requerían el empleo de puentes. En una autopista moderna todos los cruces de carreteras y pasos a nivel son salvados por este procedimiento.

DEFINICION DE PUENTES

En razón del propósito de estas estructuras y las diversas formas arquitectónicas adoptadas se pueden definir como; “obras de arte destinadas a salvar corrientes de agua, depresiones del relieve topográfico, y cruces a desnivel que garanticen una circulación fluida y continua de

UAP 3

peatones, agua, ductos de los diferentes servicios, vehículos y otros que redunden en la calidad de vida de los pueblos.” El puente es una estructura que forma parte de caminos, carreteras y líneas férreas y canalizaciones, construida sobre una depresión, río, u obstáculo cualquiera. Los puentes constan fundamentalmente de dos partes, la superestructura, o conjunto de tramos que salvan los vanos situados entre los soportes, y la infraestructura (apoyos o soportes), formada por las pilas, que soportan directamente los tramos citados, los estribos o pilas situadas en los extremos del puente, que conectan con el terraplén, y los cimientos, o apoyos de estribos y pilas encargados de transmitir al terreno todos los esfuerzos. Cada tramo de la superestructura consta de un tablero o piso, una o varias armaduras de apoyo y de las riostras laterales. El tablero soporta directamente las cargas dinámicas y por medio de la armadura transmite las tensiones a pilas y estribos. Las armaduras trabajarán a flexión (vigas), a tracción (cables), a flexión y compresión (arcos y armaduras), etc. La cimentación bajo agua es una de las partes más delicadas en la construcción de un puente, por la dificultad en encontrar un terreno que resista las presiones, siendo normal el empleo de pilotes de cimentación. Las pilas deben soportar la carga permanente y sobrecargas sin asentamientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales, viento, grandes riadas, etc. Los estribos deben resistir todo tipo de esfuerzos; se construyen generalmente en hormigón armado y formas diversas.

ESTUDIOS BÁSICOS

DATOS DE LAS CONDICIONES NATURALES DEL LUGAR DONDE SE REQUIERE CONSTRUIR EL PUENTE.

TOPOGRAFIA HIDROLOGIA GEOLOGIA RIESGO SISMICO

DATOS DE LAS CONDICIONES FUNCIONALES.

Los datos de las condiciones funcionales son en general fijados por el propietario o su representante (Ministerio de transportes, Municipalidades) y por las normas y/o las especificaciones correspondientes. Entre los datos funcionales más importantes que se deben fijar antes de iniciar el proyecto del puente tenemos:

DATOS GEOMÉTRICOS.

Ancho de la calzada (número de vías)

Dimensiones de la vereda, barandas, etc.

Peralte, sobre ancho, pendientes, curvatura, gálibo.

DATOS DE LAS CARGAS VIVAS.

Sistemas de cargas de diseño

Cargas excepcionales

Cargas futuras

OTROS DATOS.

UAP 4

Velocidad de diseño

Volumen de tráfico

Accesorios del tablero: vereda, barandas, ductos

DATOS SOCIO ECONÓMICOS

Este es un aspecto sumamente importante que debe tomar en cuenta todo proyectista al igual que los funcionarios públicos involucrados en el proyecto. Es un tema que está fuera de los alcances de este texto, pero son datos de gran importancia y por eso es muy oportuno por lo menos indicarlo por cuanto no es moral, ni ético proyectar obras públicas como son los puentes, con exceso de materiales y menos aún si esos materiales son importados y causan pérdidas innecesarias de divisas para nuestro país. Los puentes se construyen con fondos públicos que son escasos.

GEOMETRÍA.

Los datos anteriores deben ser traducidos en lo posible en un mismo plano cuyas escalas vertical y horizontal sean iguales, porque en él se tiene que ir dibujando el puente, definiendo de esta manera las dimensiones del puente. Son las condiciones topográficas e hidráulicas las que definen la longitud a cubrir así como el nivel de rasante. En cambio, su ancho está fijado por ejemplo para el caso de puentes ferroviarios por la trocha de la vía y por el número de vías y la estabilidad transversal. Para el caso de puentes carreteros el ancho queda definido por el número de vías, estimándose como ancho de vía un valor comprendido entre 3 y 4.5 m.

LONGITUD.

Cuando el lecho del río a salvar esta bien definida, el problema estará resuelto. En cambio tratándose de zonas llanas donde generalmente los ríos son del tipo maduro, con meandros que dificultan determinar la longitud del puente. La caja ripiosa dará una primera idea del largo que deberá tener el puente, ya que en las grandes crecidas esta puede ser ocupada en su totalidad. A menudo este ancho es excesivo y puede por tanto construirse un puente mas corto que el ancho del lecho ripioso, avanzando con terraplenes bien protegidos y con un buen sistema de drenaje con alcantarillas, si es posible complementando con defensivos y encausadores que garanticen que el río pase siempre por debajo del puente. Tratándose de ríos muy caudalosos, la protección de los terraplenes mediante defensivos y encausadores, así como la prolongación de aleros en los estribos puede encarecer la obra, de manera que podría resultar más económico y seguro avanzar poco o nada con terraplenes en la caja del río. Así, algunos autores recomiendan para ríos con crecida del río sobre la caja ripiosa superiores a 1.5 m. de altura, encarar con longitudes en todo su ancho. Si el puente está ubicado sobre una curva, en el no es posible avanzar con terraplenes por la playa interior (la fuerza centrífuga de la corriente tiende a socavar más la ladera opuesta). En

UAP 5

estos casos es aconsejable trazar el puente perpendicularmente al eje de la corriente.

PERFIL LONGITUDINAL.

Tomando en consideración las recomendaciones descritas anteriormente, este perfil casi siempre está definido por el del trazado caminero o ferroviario, con pendientes hacia ambos extremos no mayores a 0.75 %.

SOCAVACIONES.

Uno de los aspectos de alto riesgo en la estabilidad de los puentes, son las socavaciones, que están íntimamente ligadas a las características de los ríos. En general la topografía terrestre presenta una gran variedad de ríos con una diversidad de problemas, sin embargo por razones prácticas se agrupan en los dos tipos siguientes:

a) Ríos de caudal bruscamente variable o torrencial

b) Ríos de caudal relativamente constante (varían más o menos lentamente).

Los ríos de caudal relativamente constante, no dan problemas de índole hidráulico pero en cambio, los ríos de caudal bruscamente variable los cuales son los que normalmente se encuentran en las regiones bajas, con caudal más o menos reducido durante la mayor parte del año, incrementándose enormemente y súbitamente en la época de lluvias y durante los deshielos. Presentan problemas de variabilidad de lecho, inundaciones, y socavaciones, para lo cual hay que tener muchos cuidados. Para prever la variabilidad del lecho del río frecuentemente se construyen tramos de descarga o mas alcantarillas en los terraplenes de acceso para que por ahí pasen las aguas que se desprenden del curso principal. Tramos de descarga que deberán merecer continua y celosa vigilancia para evitar desastres por encauzamiento de los caudales principales. En los terrenos llanos, especialmente en la época de las grandes crecidas, el nivel de las aguas sube considerablemente, llegando en algunos casos a cubrir la calzada de las vías, provocando destrozos, deterioros y la anulación temporal de la vía, y en la época de mayor necesidad. Razones que nos muestran la necesidad de prever sistemas de drenaje que permitan el libre desfogué de estas aguas, y cota de rasante fijada en concordancia, y previsión con estos hechos. La determinación de la cota de fundación, es una tarea compleja, y difícil. Si bien se tiene información sobre el tema, este es apenas referencial, depende de muchas variables y ocurrencias durante las propias crecidas. Existen diversidad de formulas empíricas que nos permiten estimar la profundidad de las socavaciones, el solo seleccionar la ecuación de mejor comportamiento es difícil, aun cuando hay autores que recomiendan el uso de una y otra formula en los diversos tipos de ríos. En última instancia, siempre será el profesional el responsable de la decisión, en base a su buen criterio y fundamentalmente en base a su experiencia y experiencias de hechos similares. Sin embargo, se puede decir que la cota de fundación, en ningún caso deberá ser mayor a la cota de socavación menos 3 metros. En ultima

UAP 6

instancia y si la inversión así lo indica, deberá recurrirse a modelos a escala, o modelos matemáticos de simulación. Las informaciones históricas y profesionales del área indican que las mayores socavaciones que se han registrado en nuestro país bordean los 5 m. habiéndose constatado que guardan relación con la profundidad del agua, su velocidad y la dureza del terreno, y el tipo de material del lecho. Entre las varias fórmulas que existen para determinar la profundidad de socavación, se puede citar la siguiente que tiene aplicación especialmente en caso de ríos medianamente caudalosos.

La constante k para algunos materiales tiene los siguientes valores que se muestran en la tabla 1.1:

Se entiende que no se debe fundar sobre el fango, pero si este puede estar por encima de la fundación. Una vez estimada la profundidad de socavación, se puede definir la cota de fundación de las pilas adicionando al valor estimado con la fórmula anterior, una altura mínima de 3 m. (Figura 1.5). Inclusive se debe analizar la posibilidad de hincar pilotes.

Cabe recordar que una de las causas más frecuentes de la falla de los puentes es la socavación, por esta razón es de importancia fundamental que la cota de fundación, se fije con criterio conservador para quedar a salvo de este fenómeno. La inversión, que se haga para profundizar las pilas contribuye más a la seguridad de la estructura, que esa misma erogación aplicada a aumentar la longitud. Es indispensable el conocimiento de la naturaleza del subsuelo para fijar la profundidad de fundación conveniente.

UAP 7

ELECCIÓN DEL TIPO DE PUENTE.

El arte de la construcción de puentes ha sido siempre el interés de muchos hombres, y los grandes puentes son admirados como auténticos resultados de las fuerzas del ingenio y la creación. Para elegir el tipo de puente más adecuado, es necesario disponer previamente de los datos mencionados con anterioridad para el proyecto de un puente. La elección del tipo de sistema estructural es una de las etapas más importantes en la elaboración del proyecto de un puente.

En general, se debe tener presente:

a) Las condiciones naturales del lugar de emplazamiento de la obra (Estudios básicos), y

b) Las diversas soluciones técnicamente factibles de acuerdo a las dimensiones del proyecto.

En base a lo anterior, se deben preparar anteproyectos y luego de una evaluación técnico-económica elegir la solución más conveniente. La luz del puente es el primer parámetro a considerar cuando se inicia el proceso de selección del tipo o tipos de puentes a estudiar. En la tabla 1.3 se muestran los rangos de luces para los diversos tipos de puentes construidos a nivel mundial. Cabe mencionar que según la experiencia obtenida en varios proyectos satisfactorios se establece que generalmente la luz entre tramos está comprendida entre 2.5 a 4.5 veces la altura de la pila medida desde la cota de fundación.

PLANOS CONSTRUCTIVOS.

Los planos necesarios para la ejecución de un puente en forma general y como una orientación son los siguientes:

UAP 8

a) Plano general en el que se presentan, la elevación, planta y sección transversal típica del conjunto de la obra.

b) Plano de formas o encofrados de la superestructura (caso de hormigón armado o pretensado) mostrándose; vistas, detalles y cortes con todas sus dimensiones y acotados.

c) Plano de armadura de la superestructura (caso de hormigón armado o pretensado) mostrando toda la enferradura con su planilla y posiciones de los fierros, o en caso de pretensado detalle de cables y anclajes.

d) Plano de encofrado de la infraestructura con similares aclaraciones que para el inciso b.

e) Si la infraestructura es en hormigón armado, se detallará también su plano de armadura con aclaraciones similares a las del inciso c.

f) Plano de detalles en el que se muestran, postes, pasamanos, juntas de dilatación, aparatos de apoyo, drenajes, etc.

g) Plano de obras adicionales, como ser defensivos, protección de terraplenes, prolongación de aleros, alcantarillas adicionales y en fin todo aquello que vaya vinculado con la seguridad del puente.

UAP 9

Ejercicio:

UAP 10

Definir la luz y el número de tramos isostáticos iguales que se requieren para cubrir una caja ripiosa de 177m. de longitud, si se sabe que la altura máxima de las aguas es de 3.5 m. y su velocidad 6 m/s. La revancha que se ha de dar sobre el N.A.M.E. es de 1.5 m. y la cota de fundación será fijada 4 m. por debajo del nivel máximo de socavación. Se desea tener, que el costo de la fundación sea intermedio entre los dos límites extremos. El material sobre el que se va construir es ripio suelto con lo que la solución basada en la figura 1.6 será:

SOLUCIÓN. Para cuantificar la profundidad probable de socavación se tiene que la constante para el ripio suelto es de 0.04 con lo que:

UAP 11

TIPOS DE PUENTES

UAP 12

UAP 13

SEGÚN SU ESTRUCTURA

PUENTES VIGA

Un puente viga es un puente cuyos vanos son soportados por vigas. Este tipo de puentes deriva directamente del puente tronco. Se construyen con madera, acero u hormigón (armado, pretensado o postensado).

Se emplean vigas en forma de I, en forma de caja hueca, etcétera. Como su antecesor, este puente es estructuralmente el más simple de todos los puentes.

Se emplean en vanos cortos e intermedios (con hormigón pretensado). Un uso muy típico es en las pasarelas peatonales sobre autovías.

Consisten en varios de estos elementos, que, colocados paralelamente unos a otros con separaciones “s” entre ellas, salvan la distancia entre estribos o pilas y soportan el tablero. Cuando son ferroviarios, disponen de vigas de madera o acero y sus pisos pueden ser abiertos o estar cubiertos con balasto o placas de hormigón armado. Las vigas destinadas a servir el tráfico vehicular pueden ser de acero, hormigón armado, hormigón pretensado o madera (ver figura 2.1 ). Las vigas metálicas pueden ser de sección en "I" o de ala ancha; los caballetes de madera forman vanos con vigas o largueros que descansan en pilas de pilotes del mismo material o en pilotes jabalconados. Los puentes de vigas de hormigón armado o de acero pueden salvar tramos de 20 a 25 m; para distancias superiores se utilizan mucho el acero y el hormigón pretensado y, cuando la longitud es considerable, las vigas son compuestas. Se han construido algunos puentes con vigas de hormigón pretensado, de sección en " I ", que salvan tramos de hasta 48 m.

UAP 14

PUENTES DE VIGAS ARMADAS.

Constan de dos de estos elementos que soportan el piso. Si el tablero está apoyado cerca de las pestañas inferiores de las vigas y el tráfico pasa por entre ellas, el puente se llama vía inferior; si, por el contrario, lo está en la parte superior, se denomina de paso alto. Cuando el puente sirve a una carretera, es preferible el segundo tipo, que puede ser ensanchado para acomodarlo a posibles aumentos de tráfico. Las vigas armadas metálicas son de sección "I" y van reforzadas por remaches. Los puentes de esta clase pueden ser de un solo tramo o continuos. Los primeros llegan a cubrir tramos de hasta 40 m. Algunas veces también reciben el nombre de puentes de vigas armadas los de gran longitud cuyas vigas tienen secciones compuestas.

PUENTES CONTINUOS.

Pueden ser de viga de celosía, de vigas de acero de alma llena, de vigas o viguetas de hormigón armado o de vigas o viguetas de hormigón preesforzado. Los puentes continuos de viga de celosía suelen ser de dos o tres tramos, pero los de viga armada pueden salvar ininterrumpidamente muchos tramos. Los refuerzos contra la carga de tensión de las vigas continuas de hormigón armado deben colocarse cerca de la parte superior de las mismas, en el área situada sobre los soportes, pues allí es donde se producen los esfuerzos citados. Las vigas y viguetas de los puentes continuos de hormigón pretensado tienen sección en "I" o tubular. El puente continuo de tres tramos, con arco anclado en el central, modelo relativamente reciente y de estructura siempre simétrica, es muy estimado para salvar grandes distancias. Aparte de su valor estético se le considera muy adecuado para las estructuras cantilever. El puente continuo más largo es el de Dubuque (Norteamérica, estado de Iowa) sobre el río Mississippí, con un tramo central de 258 m de longitud.

UAP 15

UAP 16

La losa es el elemento estructural que sirve para soportar el tránsito vehicular y peatonal para luego transmitir sus cargas al sistema de vigas. En estos casos la losa es cargada principalmente en la dirección transversal al tráfico.

En puentes pequeños (L< 8 m), la losa puede ser cargada principalmente en la dirección del tráfico.

UAP 17

Además, para luces grandes (mayores a 5 m.) la losa puede ser aligerada. Esto se puede conseguir usando bloques o ladrillos de arcilla con viguetas espaciadas cada 0.53 m.

Para evitar que los bloques se puedan desprender por la vibración producida por el paso de vehículos no conviene tener más de un bloque entre las viguetas. Herrera Mantilla (1996), recomienda dejar una plaqueta de 2 cm. debajo de los bloques de arcilla, con refuerzo secundario en ambas direcciones.

Vigas

Las vigas constituyen el elemento estructural que soporta la losa. En la actualidad, existen muchos tipos de vigas. Según la forma de su sección transversal, las vigas pueden ser rectangulares, tee, I, cajón, etc (ver fig. 1.21). Según su material las vigas más comunes pueden ser de madera, concreto o acero. A su vez, las vigas de concreto pueden ser armadas, pretensadas o postensadas.

UAP 18

Subestructura

Las subestructuras están conformadas por los estribos y los pilares quienes tienen la función de soportar a la superestructura (vigas y losa). A su vez, los estribos y pilares transmiten sus cargas a la cimentación y ésta las transmite al terreno. Los estribos y pilares pueden ser de distintos tipos como veremos más adelante en el capítulo 6. Asimismo, la cimentación puede ser superficial o profunda (pilotes).

Apoyos y juntas

Los sistemas de apoyos tienen la función de transmitir las cargas de la superestructura a la subestructura (ver fig. 1.21). Asimismo, los sistemas de apoyos restringen o admiten movimientos traslacionales o rotacionales de la superestructura. Los sistemas de juntas tienen la función de resistir las cargas externas y proveer seguridad al tránsito sobre la brecha entre el puente y el estribo o entre dos puentes. También las juntas deben proveer una transición suave entre el puente y las áreas adyacentes.

Obras Complementarias

El buen funcionamiento del puente requiere de obras complementarias que aseguren la durabilidad de las estructuras y que brinden seguridad y comodidad al tránsito. Entre las obras complementarias podemos encontrar las barandas, separadores, bermas, losas de transición, cortinas y alas, obras de iluminación, obras de señalización, drenaje, obras de captación, pavimentación, etc.

UAP 19

Ventajas e Inconvenientes Esta tipología se puede adaptar muy bien a distintas solicitaciones. Puede ser adecuada para

puentes vehiculares.

El precio del acero ha aumentado mucho durante los últimos años en el mercado internacional.

Su luz queda limitada a la largada de las vigas metálicas a menos que se suelden varias.

Su construcción es sencilla y rápida, salvo si es preciso soldar en obra.

Es necesario realizar un mantenimiento continuado de las vigas metálicas del puente para evitar la Corrosión de los elementos. También es necesario el mantenimiento sobre la plataforma, si ésta es de madera, aplicando, regularmente, una capa protectora para evitar la degradación del material.

UAP 20

UAP 21