Puente de vigas de hormigón
Fondo
Cerca de 590.000 puentes de carretera atraviesan vías fluviales, depresiones de tierra firme, otras carreteras y ferrocarriles en todo Estados Unidos. Los puentes más espectaculares utilizan sistemas complejos como arcos, cables o cerchas rellenas de triángulos para transportar la calzada entre majestuosas columnas o torres. Sin embargo, el caballo de batalla del sistema de puentes de carretera es el puente de vigas de hormigón, relativamente sencillo y barato.
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 sobre la losa) se transfiere verticalmente a los pilares de soporte, los pilares pueden ser menos macizos que los soportes de los puentes de arco o de suspensión, que transfieren parte del peso horizontalmente.
Un puente de vigas simple se utiliza generalmente para salvar una distancia de 250 pies (76,2 m) o menos. Se pueden salvar 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, el Lake Pontchartrain Causeway en Luisiana, es un par de puentes paralelos de dos carriles de vano continuo de casi 38,4 km de longitud. El primero de los dos puentes se terminó en 1956 y consta de más de 2.000 vanos individuales. El puente hermano (que ahora lleva el tráfico en dirección norte) se terminó 13 años más tarde; aunque es 228 pies más largo que el primer puente, sólo contiene 1.500 vanos.
Un puente tiene tres elementos principales. En primer lugar, la subestructura (cimentación) transfiere el peso de la carga del puente al suelo; consta de componentes como las columnas (también llamadas pilas) y los estribos. Un estribo es la conexión entre el extremo del puente y la tierra; proporciona apoyo a las secciones finales del puente. En segundo lugar, la superestructura del puente es la plataforma horizontal que abarca el espacio entre las columnas. Por último, el tablero del puente es la superficie que soporta el tráfico añadida a la superestructura.
Historia
El hombre prehistórico comenzó a construir puentes imitando a la naturaleza. Al encontrar útil caminar sobre un árbol que había caído al otro lado de un arroyo, comenzó a colocar troncos de árboles o losas de piedra donde quería cruzar arroyos. Cuando quiso tender un puente sobre un arroyo más ancho, descubrió cómo apilar piedras en el agua y colocar vigas de madera o piedra entre estas columnas y la orilla.
El primer puente documentado fue descrito por Heródoto en el año 484 a.C. Estaba formado por maderos sostenidos por columnas de piedra, y se había construido sobre el 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 el año 620 a.C., se llamaba Pons Sublicius porque estaba hecho de vigas de madera (sublicae). Las técnicas romanas de construcción de puentes incluían el uso de ataguías al construir las columnas. Para ello, clavaban en el suelo una disposición circular de postes de madera alrededor de la ubicación prevista de la columna. Tras forrar el anillo de madera con arcilla para hacerlo impermeable, bombeaban el agua fuera del recinto. Esto les permitía 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 (Obra sobre la construcción de puentes), que contenía los primeros métodos analíticos para calcular los esfuerzos y tensiones en un puente. En la década de 1880 se estableció la «ingeniería de puentes de consultoría» como una especialidad dentro de la ingeniería civil.
Los avances posteriores en la construcción de puentes de vigas vendrían principalmente de las mejoras en los materiales de construcción.
Materiales de construcción y su desarrollo
La mayoría de los puentes de vigas de las carreteras se construyen con hormigón y acero. Los romanos utilizaban en sus puentes hormigón de cal y puzolana (un polvo volcánico rojo). Este material fraguaba rápidamente, incluso bajo el agua, y era resistente e impermeable. Durante la Edad Media en Europa, se utilizaba el mortero de cal, pero era soluble en agua. El popular cemento Portland actual, una mezcla particular de piedra caliza y arcilla, fue inventado en 1824 por un albañil inglés llamado Joseph Aspdin, pero no se utilizó ampliamente como material de cimentación hasta principios del siglo XX.
El hormigón tiene una buena resistencia para soportar la compresión (fuerza de presión), pero no es tan fuerte bajo tensión (fuerza de tracción). Durante el siglo XIX hubo varios intentos en Europa y Estados Unidos de reforzar 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, que utilizó barras de refuerzo de acero. El primer uso significativo del hormigón armado en un puente en Estados Unidos fue en el puente del lago Alvord, en el parque Golden Gate de San Francisco; terminado en 1889 y todavía en uso, se construyó con barras de refuerzo de acero trenzado ideadas 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. Así se 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 sobre una viga horizontal tiende a doblar la viga hacia abajo en el centro, 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 puede aplicarse a una viga de hormigón prefabricada en una fábrica, llevada a la obra y levantada en su lugar por una grúa; o puede aplicarse al hormigón colado in situ que se vierte en la ubicación final de la viga. La tensión puede aplicarse a los alambres o varillas de acero antes de verter el hormigón (pretensado), o el hormigón puede verterse alrededor de tubos que contienen acero no tensado al que se aplica la tensión después de que el hormigón se haya endurecido (postensado).
Diseño
Cada puente debe diseñarse individualmente antes de su construcción. El diseñador debe tener en cuenta una serie de factores, como la topografía local, las corrientes de agua, las posibilidades de formación de hielo en el río, los patrones de viento, el potencial sísmico, las condiciones del suelo, los volúmenes de tráfico previstos, la estética y las limitaciones de costes.
Además, el puente debe diseñarse para que sea estructuralmente sólido. Esto implica analizar 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 propio puente. La carga viva se refiere al peso del tráfico que soportará el puente. La carga ambiental se refiere a otras fuerzas externas como el viento, la posible acción de los terremotos y las posibles colisiones del tráfico con los soportes del puente. El análisis se realiza para las fuerzas estáticas (estacionarias) de la carga muerta y las fuerzas dinámicas (en movimiento) de las cargas vivas y ambientales.
Desde finales de los años 60, el valor de la redundancia en el diseño ha sido ampliamente aceptado. Esto significa que un puente se diseña de forma que el fallo de uno de sus miembros no provoque el colapso inmediato de toda la estructura. Esto se consigue haciendo que otros miembros sean lo suficientemente fuertes como para compensar un miembro dañado.
El proceso de fabricación
Debido a que cada puente se diseña de forma única para un lugar y función específicos, el proceso de construcción también varía de un puente a otro. El proceso que se describe a continuación representa los principales pasos en la construcción de un puente de hormigón armado bastante típico que cruza un río poco profundo, con soportes intermedios de columnas de hormigón situados en el río.
En la siguiente descripción se incluyen tamaños de ejemplo para muchos de los componentes del puente como ayuda a la visualización. Algunos se han tomado 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 sobre el Río Grande en Albuquerque, Nuevo México, en 1993. El puente, de 1.245 pies de largo y 10 carriles de ancho, está soportado por 88 columnas. Contiene 11.456 yardas cúbicas de hormigón en la estructura y otras 8.000 yardas cúbicas 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. Uno de los métodos para establecer los cimientos consiste en perforar pozos a través del lecho del río, hasta el lecho de roca. A medida que una barrena hace subir la tierra desde el pozo, se bombea una lechada de arcilla al interior del mismo para reemplazar la tierra y evitar que el pozo se derrumbe. Cuando se alcanza la profundidad adecuada (por ejemplo, unos 80 pies o 24,4 m), se introduce una jaula cilíndrica de acero de refuerzo (barras de refuerzo) en el pozo lleno de lechada (por ejemplo, de 72 pulgadas o 2 m de diámetro). El hormigón se bombea hasta el fondo del pozo. A medida que el pozo se llena de hormigón, el lodo es expulsado por la parte superior del pozo, donde se recoge y se limpia para poder reutilizarlo. La parte superior de cada pilar puede encofrarse y vaciarse en el lugar, o prefabricarse y elevarse en el lugar y fijarse a la cimentación.
- 2 Los estribos del puente se preparan en la orilla del río donde se apoyará el extremo del puente. Se forma y se vierte un muro de fondo de hormigón entre la parte superior de la orilla y el lecho del río; se trata de un muro de contención para el suelo más allá del extremo del puente. En la parte superior del muro de contención se forma un saliente (asiento) para que descanse el extremo del puente. También pueden ser necesarios muros de contención que se extiendan desde el muro posterior 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 se apoyará en un par de columnas en cada punto de apoyo. La subestructura se completa con la colocación de una tapa (una viga de hormigón armado) perpendicular a la dirección del puente, que llega desde la parte superior de un pilar hasta la parte superior de su compañero. En otros diseños, el puente puede apoyarse en diferentes configuraciones de soporte, como un muelle rectangular a lo ancho del puente o un solo pilar en forma de T.
Superestructura
- 4 Se utiliza una grúa para colocar vigas de acero o de hormigón pretensado entre conjuntos consecutivos de pilares a lo largo del puente. Las vigas se atornillan a las tapas de los pilares. En el caso del puente de la autopista de Albuquerque, cada viga tiene 1,8 m de altura y hasta 40 m de longitud, con un peso de hasta 54 toneladas.
- 5 Los paneles de acero o las losas de hormigón prefabricadas se colocan sobre las vigas para formar una plataforma sólida, completando la superestructura del puente. Un fabricante ofrece, por ejemplo, un panel ondulado de 11,43 cm de profundidad de acero pesado (calibre 7 ó 9). Otra alternativa es un encofrado de acero para el tablero de hormigón que se verterá posteriormente.
Cubierta
- 6 Sobre la plataforma de la superestructura se coloca una barrera contra la humedad. Por ejemplo, puede utilizarse asfalto modificado con polímeros aplicado en caliente.
- 7 Sobre la barrera contra la humedad se construye una rejilla de barras de acero de refuerzo; esta rejilla se encajará posteriormente en una losa de hormigón. La rejilla es tridimensional, con una capa de barras de refuerzo cerca de la parte inferior de la losa y otra cerca de la parte superior.
- 8 Se vierte el pavimento de hormigón. Un espesor de 20,32-30,5 cm (8-12 pulgadas) de pavimento de hormigón es apropiado para una carretera. Si se utilizaron encofrados de permanencia como plataforma de la superestructura, se vierte el hormigón en ellos. Si no se utilizaron encofrados, el hormigón puede aplicarse con una máquina de pavimentación de encofrado deslizante que extiende, consolida y alisa el hormigón en una operación continua. En cualquiera de los casos, se coloca una textura antideslizante en la losa de hormigón fresco marcando manual o mecánicamente la superficie con un cepillo o un material rugoso como la arpillera. Para evitar que el pavimento se agriete, se colocan juntas laterales aproximadamente cada 5 m. Éstas se añaden a los encofrados antes de verter el hormigón o se cortan después de que la losa encofrada se haya endurecido. Se utiliza un sellador flexible para sellar la junta.
Control de calidad
El diseño y la construcción de un puente deben cumplir las normas elaboradas por varios organismos, entre ellos la Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras y Transportes Estatales, la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales y el Instituto Americano del Hormigón. 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 cimentación de columna de muestra que se construyó en la obra, 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; los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras para sustituir al hormigón en algunos componentes; los revestimientos epoxídicos y los sistemas de protección electroquímica para evitar la corrosión de las barras de acero; las fibras de refuerzo sintéticas alternativas; y las técnicas de ensayo más rápidas y precisas.
Donde aprender más
Libros
Brown, David J. Bridges. Nueva York: Macmillan, 1993.
Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie y B. Haber. «Bridge». En McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, pp. 49-58.
Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994.
Otro
«General Information About Concrete Pavement». Asociación Americana de Pavimentos de Hormigón. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 feb. 1998).
«Beam Bridge». Nova Online «Super Bridge». Noviembre de 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 feb. 1998).
Loretta Hall