Estructuras de puentes

Los puentes son estructuras que los seres humanos han ido construyendo a lo largo de los tiempos para superar las diferentes barreras naturales con las que se han encontrado y poder transportar así sus mercancías, permitir la circulación de las gentes y trasladar sustancias de un sitio a otro.
    Dependiendo el uso que se les dé, algunos de ellos reciben nombres particulares, como acueductos, cuando se emplean para la conducción del agua, viaductos, si soportan el paso de carreteras y vías férreas, y pasarelas, están destinados exclusivamente a la circulación de personas.

 1.-FUNCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS

Las estructuras son elementos constructivos cuya misión fundamental es la de soportar un conjunto de cargas, que podemos clasificar como sigue:

1- Peso propio
2- Cargas de funcionalidad
3- Acciones exteriores varias

En el apartado 1 de peso propio incluiremos las cargas de la estructura que son especialmente significativas en las estructuras de hormigón armado y las cargas reológicas, que provienen del proceso de fraguado del hormigón.

En el apartado 2 incluiremos las cargas que actúan sobre la construcción de la que forma parte la estructura en cuestión, por ejemplo los objetos y personas que van a estar en la construcción.

En el apartado 3 nos referimos a la temperatura (dilatación-contracción), el viento, la nieve, sismos, etc.

Vemos que las cargas que pueden actuar sobre una estructura son muy variadas y pueden darse una serie de combinaciones entre ellas, debiendo la estructura soportar la combinación más desfavorable.

Hemos utilizado anteriormente la palabra soportar, pero en teoría de estructuras, en el contexto que se ha utilizado en la frase, el sentido de tal palabra hace referencia a tres aspectos:

1- Estabilidad
2- Resistencia
3- Deformación limitada

Vamos a comentar, de una forma muy general los aspectos anteriormente enunciados. Así:

La estabilidad de una estructura es la que garantiza que dicha estructura, entendida en su conjunto como un sólido rígido, cumple las condiciones de la estática, al ser solicitada por las acciones exteriores que pueden actuar sobre ella. La resistencia es la que obliga a que no se superen las tensiones admisibles del material y a que no se produzca rotura en ninguna sección. La deformación limitada implica el que se mantenga acotada (dentro de unos límites) la deformación que van a producir las cargas al actuar sobre la estructura. Estos límites van marcados por la utilización de la estructura, razones constructivas y otras.

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 2. FORMAS GENERALES DE LAS ESTRUCTURAS

Hablamos de estructuras planas cuando todas las barras que la forman y las cargas que actúan sobre la misma se encuentran en un mismo plano. Hablamos de estructuras superficiales cuando la estructura presenta una forma marcadamente superficial y las cargas que actúan sobre dicha estructura no se encuentran contenidas en dicha superficie. Hablamos de estructuras espaciales cuando las barras que forman la estructura, así como las cargas que actúan sobre la misma, ocupan cualquier posición en el espacio.

2.1. GRÁFICO ( Pulse sobre la imagen para ampliar) 

Comentarios:

	Los elementos estructurales fundamentales son : Las vigas de directriz recta, que trabajan fundamentalmente a flexión Los pilares, que trabajan fundamentalmente a compresión. Es importante no perder de vista la importancia que tienen otros dos elementos: La cimentación El terreno, ya que si fallan por algún motivo no se consigue el objetivo final de una estructura que es fundamentalmente: traspasar las cargas de la construcción, de la que forma parte, al terreno. Una tipología de viga muy frecuente es : La viga continua. Consta de unos apoyos intermedios. Los espacios entre pilares los denominamos vanos, que pueden ser: Extremos Intermedios Central.
	Los arcos: Los elementos estructurales que sirven para salvar los vanos frecuentemente son de eje recto, pero también pueden serlo de eje curvo. Una tipología característica es el arco de tres articulaciones. Para las denominaciones de las estructuras utilizamos determinados aspectos significativos, como por ejemplo: La forma fundamental, por ejemplo: arco Los apoyos, por ejemplo: empotramiento, articulación fija,... El tipo de nudos, por ejemplo: rígido, articulado
	Existen una serie de tipologías estructurales muy comunes: Los pórticos, generalmente de nudos rígidos, característicos por ejemplo de las estructuras principales de las naves industriales. Las cerchas, generalmente de nudos articulados, característicos por ejemplo de ciertas estructuras de cubierta, en construcción industrial fundamentalmente. Los marcos, que se utilizan por ejemplo en entramados laterales En construcción arquitectónica son muy comunes los pórticos múltiples de varios vanos y alturas.

2.2. GRÁFICO

Otras veces las estructuras presentan formas superficiales o volumétricas. Denominamos estructuras espaciales a aquellas en que las barras, .... y cargas que actúan presentan cualquier posición en el espacio Su cálculo implica la utilización de procedimientos específicos.

2.3. GRÁFICO :

Comentarios:

Una de las tipologías estructurales más sencilla es la viga armada. La viga armada se utiliza para pequeñas estructuras y generalmente en la tipología de armadura inferior, para que con el estado de cargas habitual trabajen a tracción los elementos que componen la armadura de la viga.
En tales casos es frecuente la utilización de cables.

	En la fig.1 podemos ver una viga armada superiormente mediante lo que se denomina como: Péndola: elemento vertical Tornapuntas: formando lo que podemos denominar como cordón superior.
	En la fig.2 podemos ver una viga armada inferior, mediante sopanda y jabalcón. Se utiliza como estructura de apoyo para vigas en mal estado, rehabilitación, patología, ...
	En las figs. 3 y 4 podemos ver una viga armada inferiormente, mediante mangueta y tirantes.
		En las figs. 5, 6 y 7 podemos ver una tipología de viga armada inferior que se denomina FINK respectivamente simple, doble y múltiple, haciendose cada vez más compleja su forma.
		En la fig. 8 una tipología de viga armada inferior que se denomina BOLLMAN, que presenta una forma un tanto compleja, pensada para la utilización de cables, en los tirantes.
		En la fig. 9 una tipología de viga armada inferior que se denomina PRATT.

Es una forma estructural que se adapta a mayores luces y solicitaciones que las anteriores, pudiendo utilizarse para pasarelas y pequeños puentes.

2.4. GRÁFICO : ( Pulse sobre la imagen para ampliar)

Comentarios:

Una de las tipologías estructurales más frecuentes es la viga de celosía Son muy frecuentes especialmente en construcción industrial para resolver luces apreciables y pórticos mixtos.
Presentan una buena relación peso-resistencia en relación con las vigas de alma llena, pero ciertos inconvenientes constructivos.

	En la fig. 1 podemos ver una tipología muy frecuente que se denomina WARREN.
	En las figs. 2, 3 y 4 se mantiene la malla propia de la warren pero se le añaden montantes en nudos inferiores, superiores e inferiores y superiores, respectivamente.
	En la fig. 5 podemos ver una viga de celosía de malla tipo PRATT
	En las figs.6 y 14 podemos ver una viga de celosía de malla tipo HOWE, de número de tramos par e impar respectivamente.
	En las figs. 7, 8 y 9 podemos ver vigas de celosía de mallas más complejas formadas mediante combinación de mallas warren (7,9) y pratt (8). La complejidad de las formas obliga por razones constructivas a un uso más restrictivo.
	En la fig. 10 podemos ver una tipología de marcos con cruz de san andrés, adecuada para estructuras de entramados laterales en construcción industrial.
	En la fig. 11 podemos ver una tipología característica e interesante: la viga en K, adecuada para mejorar el comportamiento de las diagonales a compresión, que suelen ser barras críticas.
	En la fig. 12 podemos ver una viga con cordón inferior poligonal. La malla es del tipo Howe, pudiendo ser otra, adecuada a las cargas que van a actuar sobre la viga.
	En la fig. 13 podemos ver una tipología que se denomina como viga VIERENDEEL . La viga vierendeel es necesariamente de nudos rígidos, ya que no es una malla triangulada.

2.5. GRÁFICO

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Comentarios:

Estructuras de barras articuladas para cubiertas, en los tipos : a dos aguas, shed y marquesinas. Vamos a describir gráficamente una de las tipologías estructurales más clásicas, debido en gran parte a la sencillez del cálculo de los axiles en barras, mediante los métodos : Método de los nudos (Analítico) Método de Cremona (Gráfico) Para el cálculo de los desplazamientos en sus nudos ó para el caso de vinculación exterior hiperestática, tenemos que utilizar procedimientos más complejos. Actualmente su utilización se está reduciendo por diversas razones : económicas, constructivas y otras. En las figs. 1 a 12 se recogen diferentes armaduras propias de cubiertas a dos aguas, con diferentes características y utilizaciones. Para luces más pequeñas se utilizan las siguientes: cercha simple (figs.1 y 2), la cercha española (fig.3) , la cercha suiza (fig. 10) y la cercha alemana (fig.11) Para mayores luces se utilizan diferentes soluciones de malla como son: inglesa (fig.4), americana (fig.5), belga (fig.6) que es una de las más utilizadas, polonceau simple (fig.7), polonceau doble (fig. 8), fink (fig.9) y pratt (fig.12).

En las figs. 13 a 16 se recogen diferentes armaduras propias tanto de cubiertas a un agua como de cubiertas tipo shed. Las cubiertas tipo shed son un clásico de la construcción industrial, ya que con una orientación adecuada, facilitan la recogida de aguas y la iluminación natural de una nave industrial de amplias dimensiones. Actualmente su utilización está decreciendo por razones similares a las antes expuestas.

Las podemos denominar en base a la malla que utilizan y que sería inglesa (fig.13), belga (fig.14), polonceau (fig.15).

Cuando tenemos que realizar una cubierta tipo shed múltiple con apoyos en los extremos, una de las posibilidades de diseño estructural más frecuente es la de añadir una barra uniendo los diferentes vértices de cada cuchillo, como vemos en la fig.16.

En las figs. 17,18 y 19 se recogen diferentes armaduras propias de las marquesinas. Las marquesinas son estructuras que se han utilizado frecuentemente como cubiertas auxiliares.
Se encuentran soportadas en un extremo y constituyen una estructura con forma general de voladizo.

Las podemos describir en base a sus características más significativas como el tipo de malla o el cordón inferior.
Esta última característica, en las figuras que se refieren es:
recto (fig.17) o quebrado (figs.18 y 19).

2.6. GRÁFICO :

Comentarios:

Estructuras de barras articuladas para cubiertas de grandes luces.

Las formas estructurales anteriores (Apdo. 2.5.) pueden ser utilizadas en pequeñas y moderadas luces. En este apartado nos referimos a las formas más adecuadas para las cubiertas de grandes luces.

En las figs.1, 2, 3, 4 y 5 podemos ver una forma general de armadura simple con peralte (fig.1), con cordón inferior recto (figs. 3, 4 y 5) o quebrado (fig. 2) en la que las barras del cordón superior se han sustituido por vigas de celosía de diferentes tipos de malla.

En las figs. 6, 7 y 8 podemos ver una forma clásica de cubierta a dos aguas con diferentes mallas, generalmente la belga y la inglesa.

En las figs. 9, 10, 11 y 12 vemos la utilización del arco en diferentes posiciones:

en el cordón inferior (figs.9 y 11), en el cordón superior (fig.10) y tanto en el cordón inferior como en el superior (fig. 12)

2.7. GRÁFICO :

Comentarios:

Estructuras de cubierta con voladizos En este conjunto de gráficos representamos una serie de soluciones para utilizar los voladizos con las siguientes finalidades:
- Aumentar la superficie de cubierta
- Disminuir las luces entre pilares

	En la fig.1 podemos ver que el cordón inferior se mantiene recto mientras que se produce un cambio de dirección en el cordón superior.
En las figs. 2, 3, 4, 5 y 6 el cordón inferior adopta la forma de una línea quebrada, quedando rectos los tramos correspondientes al voladizo.
	Las formas que se representan en las figs. 7,8 y 9 se corresponden con luces mayores y se pueden utilizar diferentes mallas como por ejemplo americana y belga. También es de resaltar la utilización del arco en el cordón inferior como forma de transmitir las cargas a los apoyos (fig.9) y la inversión en la forma del mallado al llegar al voladizo.

2.8. GRÁFICO :

Comentarios:

Formas generales de estructuras porticadas y marcos, formados con barras de nudos rígidos. La utilización de los pórticos es cada vez más usual en la construcción industrial metálica por diferentes razones:

- La mejora en los procedimientos de cálculo, más complejos que para las estructuras de nudos articulados.
- La utilización de PVS para la optimización de los mismos, así como el empleo de tornillos de alta resistencia.

Reflejamos en el gráfico correspondiente una serie de formas que nos permiten recorrer con detalle la descripción de esta importante tipología estructural que constituye frecuentemente la estructura principal de las naves industriales.

En las figs.1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 13 y 14 podemos ver un pórtico simple con apoyos articulados (figs.1,3,5 y 6) o empotrados (figs.2 y 4), sin pendiente (figs. 1 y 2), a dos aguas (figs. 3,4,5 y 6) y con tirantes (figs. 5 y 6), con utilización de arcos en vez de vigas de eje recto (figs. 13 y 14) para mejorar el comportamiento del pórtico en diferentes sentidos y en base a las cargas que actúen sobre dicha estructura.

Deberemos por tanto analizar las ventajas e inconvenientes que presentan las diferentes tipologías de arcos simples de forma que diseñemos tales estructuras adaptándonos a las necesidades de cada caso.

En las figs.7 y 19 podemos ver un pórtico múltiple, con una sola altura o con varias alturas. El elevado grado de hiperestaticidad de los pórticos múltiples le confiere interesantes características resistentes, como elemento estructural fiable que debe garantizar la estabilidad de la construcción a la que pertenece: En su conjunto Parcialmente Durante su funcionamiento normal Durante su ejecución Frente a patologías La dificultad de su cálculo por métodos manuales se redujo considerablemente con el método de Cross y posteriormente la utilización de procedimientos de cálculo por ordenador ha facilitado su utilización.

En las figs. 8 y 9 podemos ver un semipórtico que es una estructura en la que un extremo de una viga no se apoya en un pilar.

En las figs. 16, 17 y 18 vemos lo que denominamos como marcos que presentan formas cuadradas, representativas en entramados laterales, que suelen presentar apoyos articulados.

Se han representado otras formas poligonales en las figs. 10, 11 y 12, que no precisan comentario específico aparte del de su escasa utilización.

2.9. GRÁFICO :

Comentarios:

Otras tipologías de pórticos utilizando PVS y pilares y vigas de celosía.

La importancia de los pórticos en la construcción industrial y el interés por optimizar su diseño, ampliar las luces que pueden utilizarse,etc. ha llevado a un conjunto de tipologías que reflejamos en este apartado.

	En las figs. 1 y 3 podemos ver el empleo de perfiles de alma llena en sección variable (PVS), adaptándose a las solicitaciones que se producen en las diferentes secciones de las barras.
	En las figs. 2, 4, 5 y 6 podemos ver tipologías en las que las vigas y los pilares se han formado mediante estructuras de barras de disposición triangular, de forma que puedan ser calculados como una estructura constituida por barras articuladas.
	Destacamos la conveniencia de utilizar como apoyos de los pilares las articulaciones fijas, en esta tipología, para que las barras trabajen a axiles. En la fig. 7 se recoge una tipología de pórtico mixto con forma de arco constituido mediante una malla de barras triangulada, un tirante y apoyado en pilares metalicos rígidos con apoyos mediante empotramiento, es decir una estructura con barras a axiles en cubierta y sometida a axiles, cortantes y flectores en pilares. En la figura 8 se recoge una tipología de pórtico con puente grúa característico de las naves industriales para talleres. Destacamos en esta tipología la conveniencia de utilizar apoyos empotrados para estos pórticos.

2.10. GRÁFICOS :

 

Comentarios:

Tipologías características de estructuras para puentes. En las figs. 1, 2, 3, 4 y 5 se recogen estructuras tipo de puentes sin apoyos intermedios, mientras que en las figs. 6, 7 y 8 el apoyo del tablero se produce tanto en los extremos como en posición intermedia. Podemos ver en las figs. 1 y 3 la utilización de un tablero de alma llena, mientras que en las figs. 2 y 4 puede verse un tablero realizado estructuralmente mediante una celosía de barras. En las figs. 1 y 2 el tablero se refuerza con una estructura superior, de la que cuelga, que transmite los esfuerzos hacia los apoyos. En las figs. 3 y 4 el tablero se refuerza con una estructura de barras inferior sobre la que se apoya, transmitiendo los esfuerzos en posición diferente a la de los apoyos del tablero. La tipología de la fig.5 es del mismo tipo que la que se puede ver en las figs. 3 y 4, pero realizada en hormigón. Puede realizarse también mediante hormigón armado en el tablero y con vigas metálicas (tipo cajón) en el arco inferior.

En las figs. 6 y 7 se recogen formas de puentes colgantes, con tableros de alma llena (fig.6) y de celosía (fig.7). En la fig. 8 se recoge una tipología con apoyos intermedios que se denomina puente cantilever.

 Las características de los puentes están ligadas a las de los materiales con los que se construyen:

• Los puentes de madera, aunque son rápidos de construir y de bajo coste, son poco resistentes y duraderos, ya que son muy sensibles a los agentes atmosféricos, como la lluvia y el viento, por lo que requieren un mantenimiento continuado y costoso. Su bajo coste (debido a la abundancia de madera, sobre todo en la antigüedad) y la facilidad para labrar  la madera pueden explicar que los primeros puentes construidos fueran de madera. 
• Los puentes de piedra, de los que los romanos fueron grandes constructores, son tremenda mente resistentes, compactos y duraderos, aunque en la actualidad su construcción es muy costosa. Los cuidados necesarios para su mantenimiento son escasos, ya que resisten muy bien los agentes climáticos. Desde el hombre consiguió dominar la técnica del arco este tipo de puentes dominó durante siglos. Sólo la revolución industrial con las nacientes técnicas de construcción con hierro pudo amortiguar este dominio.
• Los puentes metálicos son muy versátiles, permiten diseños de grandes luces, se construyen con rapidez, pero son caros de construir y además están sometidos a la acción corrosiva, tanto de los agentes atmosféricos como de los gases y humos de las fábricas y ciudades, lo que supone un mantenimiento caro. El primer puente metálico fue construido en hierro en Coolbrookdale (Inglaterra)
• Los puentes de hormigón armado son de montaje rápido, ya que admiten en muchas ocasiones elementos prefabricados, son resistentes, permiten superar luces mayores que los puentes de piedra, aunque menores que los de hierro, y tienen unos gastos de mantenimiento muy escasos, ya que son muy resistentes a la acción de los agentes atmosféricos

    Básicamente, las formas que adoptan los puentes son tres, que, por otra parte, están directamente relacionadas con los esfuerzos que soportan sus elementos constructivos. Estas configuraciones son:

• Puentes de viga. Están formados fundamentalmente por elementos horizontales que se apoyan en sus extremos sobre soportes o pilares. Mientras que la fuerza que se transmite a través de los pilares es vertical y hacia abajo y, por lo tanto, éstos se ven sometidos a esfuerzos de compresión, las vigas o elementos horizontales tienden a flexionarse como consecuencia de las cargas que soportan. El esfuerzo de flexión supone una compresión en la zona superior de las vigas y una tracción en la inferior
• Puentes de arco. Están constituidos básicamente por una sección curvada hacia arriba que se apoya en unos soportes o estribos y que abarca una luz o espacio vacío. En ciertas ocasiones el arco es el que soporta el tablero (arco bajo tablero) del puente sobre el que se circula, mediante una serie de soportes auxiliares, mientras que en otras de él es del que pende el tablero (arco sobre tablero) mediante la utilización de tirantes. La sección curvada del puente está siempre sometida a esfuerzos de compresión, igual que los soportes, tanto del arco como los auxiliares que sustentan el tablero. Los tirantes soportan esfuerzos de tracción.
• Puentes colgantes. Están formados por un tablero por el que se circula, que pende, mediante un gran número de tirantes, de dos grandes cables que forman sendas catenarias y que están anclados en los extremos del puente y sujetos por grandes torres de hormigón o acero. Con excepción de las torres o pilares que soportan los grandes cables portantes y que están sometidos a esfuerzos de compresión, los demás elementos del puente, es decir, cables y tirantes, están sometidos a esfuerzos de tracción.

    Como cualquier clasificación, ésta no pretende ser más que una aproximación torpe de la comprensión humana a la diversidad, en este caso de los puentes.

Atendiendo a la función primordial que cumplen.	Acueductos. Puentes que conducen agua.
	Viaductos. Puentes destinados al paso de vehículos.
	Pasarelas. Puentes pensados para el uso exclusivo de peatones.
Atendiendo al material del que están hechos.	De madera. Los primeros puentes son simplemente uno o varios troncos uniendo dos orillas de un riachuelo.
	De piedra. La conquista tecnológica del arco permite construir puentes de piedra.
	De hierro. La revolución industrial trae de su mano los primeros puentes de este material.
	De hormigón y acero. Los puentes actuales se construyen mezclando estos dos materiales.
Atendiendo a la forma en que se soportan los esfuerzos.	De viga. Es la primera y más sencilla solución que inventa el hombre para salvar una distancia. En la antigüedad, antes de conocer el hormigón armado, hubo que descartarlos ya que la madera por flexión no permitía cubrir grandes distancias.
	De arco.	Sobre tablero. El arco soporta el peso del tablero del que está colgado.
		Bajo tablero. El tablero está encima del arco que es quien soporta el peso del puente.
	Colgante. El tablero cuelga de grandes pilares. Aquí no hay arcos.

estructura y puentes