Puente de vigas de hormigón

Antecedentes

Casi 590.000 puentes de carreteras atraviesan vías fluviales, depresiones de tierras secas, otras carreteras y vías férreas en todo Estados Unidos. Los puentes más espectaculares utilizan sistemas complejos como arcos, cables o armaduras llenas de triángulos para llevar el camino entre majestuosas columnas o torres. Sin embargo, el caballo de batalla del sistema de puentes de carreteras es el puente de vigas de hormigón relativamente simple y económico.

También conocido como puente de vigas, un puente de vigas consiste en una losa horizontal apoyada en cada extremo. Debido a que todo el peso de la losa (y cualquier objeto en la losa) se transfiere verticalmente a las columnas de soporte, las columnas pueden ser menos masivas que los soportes para arco o puentes colgantes, que transfieren parte del peso horizontalmente.

Un puente de viga simple generalmente se usa para abarcar una distancia de 250 pies (76.2 m) o menos. Se pueden cubrir distancias más largas conectando una serie de puentes de vigas simples en lo que se conoce como un tramo continuo. De hecho, el puente más largo del mundo, la calzada del lago Pontchartrain en Luisiana, es un par de puentes paralelos de dos carriles de tramo continuo de casi 24 millas (38,4 km) de largo. El primero de los dos puentes se completó en 1956 y consta de más de 2.000 tramos individuales. El puente hermano (que ahora lleva el tráfico hacia el norte) se completó 13 años después; aunque es 228 pies más largo que el primer puente, contiene solo 1,500 vanos.

Un puente tiene tres elementos principales. Primero, la subestructura (cimentación) transfiere el peso cargado del puente al suelo; consta de componentes como columnas (también llamadas pilares) y estribos. Un estribo es la conexión entre el extremo del puente y la tierra; proporciona soporte para las secciones finales del puente. En segundo lugar, la superestructura del puente es la plataforma horizontal que se extiende por el espacio entre columnas. Finalmente, el tablero del puente es la superficie de transporte de tráfico agregada a la superestructura.

Historial

El hombre prehistórico comenzó a construir puentes imitando a la naturaleza. Al encontrar útil caminar sobre un árbol que había caído sobre un arroyo, comenzó a colocar troncos de árboles o losas de piedra donde quería cruzar los arroyos. Cuando quiso tender un puente sobre un arroyo más ancho, descubrió cómo amontonar piedras en el agua y colocar vigas de madera o piedra entre estas columnas y la orilla.

El primer puente documentado fue descrito por Herodoto en 484 a. C. Consistía en vigas sostenidas por columnas de piedra y se había construido al otro lado del río Éufrates unos 300 años antes.

Más famosos por sus puentes de arco de piedra y hormigón, los romanos también construyeron puentes de vigas. De hecho, el primer puente romano conocido, construido sobre el río Tíber en 620 a. C. , se llamaba Pons Sublicius porque estaba hecho de vigas de madera (sublicae). Las técnicas de construcción de puentes romanos incluyeron el uso de ataguías mientras se construían columnas. Lo hicieron clavando una disposición circular de postes de madera en el suelo alrededor de la ubicación prevista de la columna. Después de revestir el anillo de madera con arcilla para hacerlo hermético, bombearon el agua fuera del recinto. Esta les permitió verter el hormigón para la base de la columna.

La construcción de puentes comenzó la transición del arte a la ciencia en 1717 cuando el ingeniero francés Hubert Gautier escribió un tratado sobre la construcción de puentes. En 1847, un estadounidense llamado Squire Whipple escribió A Work on Bridge Building, que contenía los primeros métodos analíticos para calcular las tensiones y deformaciones en un puente. La "consultoría en ingeniería de puentes" se estableció como una especialidad dentro de la ingeniería civil en la década de 1880.

Los avances adicionales en la construcción de puentes de vigas provendrían principalmente de mejoras en los materiales de construcción.

Materiales de construcción
y su desarrollo

La mayoría de los puentes de vigas para carreteras están construidos con hormigón y acero. Los romanos usaban hormigón hecho de cal y pozzalana (un polvo volcánico rojo) en sus puentes. Este material fragua rápidamente, incluso bajo el agua, y es resistente e impermeable. Durante la Edad Media en Europa, se utilizó mortero de cal en su lugar, pero era soluble en agua. El popular cemento Portland de hoy en día, una mezcla particular de piedra caliza y arcilla, fue inventado en 1824 por un albañil inglés llamado Joseph Aspdin, pero no se usó ampliamente como material de cimentación hasta principios del siglo XX.

El hormigón tiene buena resistencia para soportar la compresión (fuerza de presión), pero no es tan fuerte bajo tensión (fuerza de tracción). Hubo varios intentos en Europa y Estados Unidos durante el siglo XIX para fortalecer el hormigón incrustando en él hierro resistente a la tensión. Una versión superior fue desarrollada en Francia durante la década de 1880 por Francois Hennebique, quien utilizó barras de refuerzo de acero. El primer uso significativo de hormigón armado en un puente en los Estados Unidos fue en el puente Alvord Lake en el Golden Gate Park de San Francisco; Terminado en 1889 y todavía en uso hoy, fue construido con barras de refuerzo de acero trenzado diseñadas por el diseñador Ernest L. Ransome.

El siguiente avance significativo en la construcción de hormigón fue el desarrollo del pretensado. Una viga de hormigón se pretensa tirando de varillas de acero que atraviesan la viga y luego anclando los extremos de las varillas a los extremos de la viga. Esto ejerce una fuerza de compresión sobre el hormigón, compensando las fuerzas de tracción que se ejercen sobre la viga cuando se coloca una carga sobre ella. (Un peso que presiona hacia abajo sobre una viga horizontal tiende a doblar la viga hacia abajo en el medio, creando fuerzas de compresión a lo largo de la parte superior de la viga y fuerzas de tracción a lo largo de la parte inferior de la viga).

El pretensado se puede aplicar a una viga de hormigón prefabricada en una fábrica, llevada al sitio de construcción y colocada en su lugar con una grúa; o se puede aplicar al concreto colado in situ que se vierte en la ubicación final de la viga. Se puede aplicar tensión a los alambres o varillas de acero antes de verter el hormigón (pretensado), o el hormigón se puede verter alrededor de tubos que contienen acero sin tensar a los que se aplica tensión después de que el hormigón se ha endurecido (postensado).

Diseño

Cada puente debe diseñarse individualmente antes de su construcción. El diseñador debe tener en cuenta una serie de factores, incluida la topografía local, las corrientes de agua, las posibilidades de formación de hielo en los ríos, los patrones de viento, el potencial sísmico, las condiciones del suelo, los volúmenes de tráfico proyectados, la estética y las limitaciones de costos.

Además, el puente debe estar diseñado para ser estructuralmente sólido. Esto implica analizar Una vista en corte de un típico puente de vigas de hormigón. las fuerzas que actuarán sobre cada componente del puente terminado. Tres tipos de cargas contribuyen a estas fuerzas. La carga muerta se refiere al peso del puente en sí. La carga viva se refiere al peso del tráfico que llevará el puente. La carga ambiental se refiere a otras fuerzas externas como el viento, la posible acción de un terremoto y las posibles colisiones de tráfico con los soportes del puente. El análisis se lleva a cabo para las fuerzas estáticas (estacionarias) de la carga muerta y las fuerzas dinámicas (en movimiento) de las cargas vivas y ambientales.

Desde finales de la década de 1960, el valor de la redundancia en el diseño ha sido ampliamente aceptado. Esto significa que un puente está diseñado para que la falla de cualquier miembro no cause un colapso inmediato de toda la estructura. Esto se logra haciendo que otros miembros sean lo suficientemente fuertes como para compensar un miembro dañado.

El
proceso de fabricación

Debido a que cada puente está diseñado exclusivamente para un sitio y una función específicos, el proceso de construcción también varía de un puente a otro. El proceso que se describe a continuación representa los pasos principales en la construcción de un puente de hormigón armado bastante típico que atraviesa un río poco profundo, con soportes intermedios de columnas de hormigón ubicados en el río.

Los tamaños de ejemplo para muchos de los componentes del puente se incluyen en la siguiente descripción como ayuda para la visualización. Algunas se han extraído de los folletos de los proveedores o de las especificaciones estándar de la industria. Otros son detalles de un puente de autopista que se construyó a través del Río Grande en Albuquerque, Nuevo México, en 1993. El puente de 1245 pies de largo y 10 carriles de ancho está sostenido por 88 columnas. Contiene 11,456 yardas cúbicas de concreto en la estructura y 8,000 yardas cúbicas adicionales en el pavimento. También contiene 6.2 millones de libras de acero de refuerzo.

Subestructura

• 1 Se construye una ataguía alrededor de la ubicación de cada columna en el lecho del río y el agua se bombea desde el interior del recinto. Un método para colocar los cimientos es perforar pozos a través del lecho del río, hasta el lecho de roca. A medida que una barrena saca tierra del pozo, se bombea una lechada de arcilla en el agujero para reemplazar el suelo y evitar que el pozo colapse. Cuando se alcanza la profundidad adecuada (p. Ej., Aproximadamente 80 pies o 24,4 m), se baja una jaula cilíndrica de acero de refuerzo (varilla) en el eje lleno de lechada (p. Ej., 72 pulgadas o 2 m de diámetro). El hormigón se bombea al fondo del pozo. A medida que el pozo se llena de concreto, la lechada se expulsa de la parte superior del pozo, donde se recoge y se limpia para poder reutilizarla. La parte aérea de cada columna puede formarse y vaciarse en su lugar, o prefabricarse y levantarse en su lugar y unirse a la base.
• Se preparan 2 estribos de puente en la ribera donde descansará el extremo del puente. Se forma un muro de hormigón y se vierte entre la parte superior de la orilla y el lecho del río; este es un muro de contención para el suelo más allá del final del puente. En la parte superior de la pared trasera se forma una repisa (asiento) para que descanse el extremo del puente. Es posible que también se necesiten paredes laterales que se extiendan hacia afuera desde la pared trasera a lo largo de la orilla del río para retener la tierra de relleno para los accesos al puente.
• 3 En este ejemplo, el puente descansará sobre un par de columnas en cada punto de apoyo. La subestructura se completa colocando una tapa (una viga de hormigón armado) perpendicular a la dirección del puente, llegando desde la parte superior de una columna hasta la parte superior de su compañero. En otros diseños, el puente puede descansar sobre diferentes configuraciones de soporte, como un pilar rectangular de ancho de puente o una sola columna en forma de T.

Superestructura

• 4 Se utiliza una grúa para colocar vigas de acero o de hormigón pretensado entre conjuntos consecutivos de columnas a lo largo del puente. Las vigas están atornilladas a las tapas de las columnas. Para el puente de la autopista de Albuquerque, cada viga mide 6 pies (1,8 m) de alto y hasta 130 pies (40 m) de largo, y pesa hasta 54 toneladas.
• 5 Se colocan paneles de acero o losas de hormigón prefabricado a lo largo de las vigas para formar una plataforma sólida, completando la superestructura del puente. Un fabricante ofrece un panel corrugado de 4,5 pulgadas (11,43 cm) de profundidad de acero pesado (calibre 7 o 9), por ejemplo. Otra alternativa es un encofrado de acero que se mantiene en el lugar para la plataforma de concreto que se vertirá más tarde.

Deck

• 6 Se coloca una barrera contra la humedad encima de la plataforma de la superestructura. Se puede utilizar, por ejemplo, asfalto modificado con polímero aplicado en caliente.
• 7 Se construye una rejilla de barras de acero de refuerzo encima de la barrera contra la humedad; esta rejilla será posteriormente revestida en una losa de hormigón. La cuadrícula es tridimensional, con una capa de armadura cerca de la parte inferior de la losa y otra cerca de la parte superior.
• 8 Se vierte pavimento de hormigón. Un espesor de 8-12 pulgadas (20,32-30,5 cm) de pavimento de hormigón es apropiado para una carretera. Si se utilizaron encofrados permanentes como plataforma de superestructura, se vierte hormigón en ellos. Si no se utilizaron encofrados, el concreto se puede aplicar con una máquina pavimentadora de encofrado deslizante que esparce, consolida y alisa el concreto en una operación continua. En cualquier caso, se coloca una textura antideslizante en la losa de concreto fresco marcando la superficie de forma manual o mecánica con un cepillo o material áspero como arpillera. Se proporcionan juntas laterales aproximadamente cada 15 pies (5 m) para evitar que el pavimento se agriete; Estos se agregan a los encofrados antes de verter el concreto o se cortan después de que se haya endurecido una losa de encofrado deslizante. Se utiliza un sellador flexible para sellar la junta.

Control de calidad

El diseño y la construcción de un puente deben cumplir con los estándares desarrollados por varias agencias, incluida la Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte, la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales y el Instituto Estadounidense del Concreto. Varios materiales (por ejemplo, lotes de hormigón) y componentes estructurales (por ejemplo, vigas y conexiones) se prueban a medida que avanza la construcción. Como ejemplo adicional, en el proyecto del puente de Albuquerque, se realizaron pruebas de resistencia estática y dinámica en una base de columna de muestra que se construyó en el sitio y en dos de los pozos de producción.

El futuro

Numerosas agencias gubernamentales y asociaciones industriales patrocinan y realizan investigaciones para mejorar los materiales y las técnicas de construcción. Uno de los principales objetivos es el desarrollo de materiales más ligeros, resistentes y duraderos, como el hormigón reformulado de alto rendimiento; materiales compuestos poliméricos reforzados con fibra para reemplazar el hormigón en algunos componentes; revestimientos epoxi y sistemas de protección electroquímica para evitar la corrosión de las barras de acero; fibras de refuerzo sintéticas alternativas; y técnicas de prueba más rápidas y precisas.