Fotos: cortesía Gregorio Rentería, Alfredo Santander, Germán Escobar, GRISA, Alcaldía Mayor de Bogotá, Diego Dueñas y PCA.
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Puentes ingenio para estructuras
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Este informe especial describe estructuras que son un ejemplo del talento y la capacidad de innovación de la ingeniería, obras que vale la pena destacar por la acertada combinación de sus variables.
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En las sociedades primitivas, los puentes se hacían con troncos de árboles grandes, que se llevaban al sitio de la obra mediante rodillos. Tales troncos se apoyaban en obras falsas para pasar el vacío por cubrir. Este tipo de estructuras evolucionó con el uso de la madera gracias a procedimientos similares a los voladizos sucesivos, con lo cual se lograron obras de mayor magnitud que formaban una especie de arco. Durante el Imperio Romano nacieron los puentes de arco fabricados con rocas provenientes de canteras,
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cortadas a medida y unidas con cementantes naturales. Hoy se conservan obras espectaculares de este tipo, a las que se agregan los acueductos. Esta práctica duró hasta el siglo XVIII. Con el inicio de la Revolución Industrial comenzó a utilizarse el hierro como elemento estructural, para pasar luego al acero; también se empezó a emplear el concreto, una vez que se tuvo a disposición el cemento Portland. Así nacieron los puentes metálicos y los de placa y viga reforzada. El perfeccionamiento del cemento y del acero de refuerzo hizo que se desarrollaran los puentes de menor longitud en concreto reforzado. Por otro lado, el trefilado de los perfiles de acero permitió la construcción de grandes estructuras, entre ellas el Puente de San Francisco (EE.UU.), obra insigne de la ingeniería de puentes en su momento y que todavía despierta admiración. Durante la Segunda Guerra Mundial y luego de este conflicto, en Europa se usó acero de alta resistencia y nació el concreto pretensado y postensado. Este último material permitió la construcción de estructuras de mayores luces y de puentes de voladizos sucesivos fundidos ‘in situ’. Para ello se usaron carros de avance. Esta tecnología tuvo un gran crecimiento entre los años 50 y 60 en Francia, Alemania y, posteriormente, en toda Europa. Mientras tanto, Estados Unidos avanzaba en la producción de acero, lo cual promovió la construcción de puentes con estructuras metálicas que se usaron en toda la red vial de autopistas, a lo largo y ancho de ese país.
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En Colombia, la tecnología para la construcción de puentes se estancó en los años anteriores a la década del 70. “Con mucho respeto a la ingeniería nacional, en aquella época no se ejecutaban puentes de envergadura, pues las normas del Ministerio de Obras Públicas concebían las vías para que por ellas se transitara a velocidades del orden de los 30 kph, y calzadas de 6 m a 7 m de ancho. A mediados del siglo XX, nuestras carreteras en las zonas montañosas eran caminos serpenteantes que buscaban pasar los cauces de agua con una luz mínima; prácticamente, los puentes eran de longitud muy reducida”, explica Gregorio Rentería, gerente general de GRISA. El Puente Pumarejo de Barranquilla se convirtió en un suceso en el país. Su construcción en 1974 fue el resultado de la unión de la empresa italiana Lodigiani S.A. con la colombiana Cuéllar Serrano Gómez Ltda. También fue un hito la construcción del Puente de Juanambú en 1975 por Augusto Ruiz Corredor y otros, con asesoría española. Este fue el primer puente de dovelas sucesivas hecho en Colombia, con luces de 45 m, 90 m y 45 m, y pilas de 56 m de altura. En 1997, con una tecnología que no se conocía en el país, se construyó el puente atirantado de Pereira, con una luz principal de 211 m y una longitud total de 440 m. El siglo XX finalizó con construcciones masivas de puentes de luces menores en concreto reforzado, puentes de luces mayores y múltiples luces en concreto postensado, puentes metálicos en vigas y de celosía, y algunos de arco metálico, todos con placa de concreto reforzado. El análisis estructural que se hacía hasta entonces en el mundo cambió totalmente cuando en la última década del siglo XX ocurrieron los sismos de Northridge y Loma Prieta (California, EE.UU.). Estos siniestros dejaron
“El Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes, de 1995, se basa en las normas antiguas con las que se diseñaron los puentes que se cayeron en Estados Unidos y Japón. Ningún ente regulador de Invías ha tomado cartas en el asunto”, Gregorio Rentería.
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Puente Juananambú, Nariño.
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inservible la mitad de las autopistas, pues las intersecciones y viaductos elevados se derrumbaron. El remate de esa década fue el sismo de Kobe (Japón), que hizo que se cayera la autopista elevada Hanshin Expressway. La destrucción dejó ver que el arte en el análisis estructural sísmico de los puentes estaba errado y, muy rápidamente en el mundo entero, se inició una carrera para encontrar las respuestas que permitieran diseñar puentes que no sufrieran ese tipo de colapsos.
Las variables que se consideran hoy
Aunque no son infinitas, las variables que se deben considerar para diseñar y construir un puente seguro y con una vida útil larga son tan numerosas y particulares que demandan el trabajo y la investigación de más de ocho disciplinas. Cada proyecto plantea retos distintos, por lo que el resultado depende de múltiples aspectos, como la clase de suelo, el diseño vial, la hidráulica, el uso y función, su impacto en el medioambiente, la geografía circundante, la facilidad de acceso al sitio de la obra, el proceso constructivo elegido, el grado de riesgo al que la estructura puede someterse en caso de desastres naturales, los materiales y, por supuesto, los costos. En consecuencia, resulta definitivo articular la labor de cada especialista de tal manera que sus conceptos estén dirigidos a un objetivo común. De este trabajo en cadena depende el éxito del proyecto.
Arriba: Puente Atirantado, Risaralda.
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Puente Pumarejo, Atlántico.
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Para Diego Dueñas, ingeniero de PCA Ltda., encargado de diseñar el sector 1 de la Ruta del Sol, hay un factor adicional: la experiencia del equipo de trabajo. En este sentido, se debe entender que la labor de consultores y constructores es levantar un puente que ante una emergencia no se derrumbe y permita la evacuación de los usuarios. Se trata, entonces, de construir una estructura segura, eficaz, funcional y estéticamente atractiva, con los recursos disponibles. Dado que los proyectos de desarrollo vial están sujetos siempre a la capacidad de inversión, es determinante el costo del diseño y la construcción. Esta es la razón por la que los presupuestos y tiempos de entrega constituyen los aspectos más importantes de cualquier proyecto, pues condicionan las decisiones del consultor respecto a materiales, tipo de cimentación, y sistema constructivo y estructural, entre otros. Así, los objetivos de consultores y constructores deben ser optimizar los recursos y ejecutar obras que eviten la fuga de capital y jalonen la economía del país.
Factores determinantes
Si bien no existe una clasificación de las condiciones que determinan la elección del tipo de estructura de un puente, sí hay aspectos que usualmente se evalúan en el proceso. Esta es una descripción de las principales variables:
Suelo
El análisis geotécnico y geológico es esencial para determinar el tipo de cimentación y el número y longitud de las luces que conformarán el puente y el sistema de apoyos, entre otros aspectos. Si el suelo es de baja capacidad portante, la cimentación recomendada es por pilotes y no por zapatas; hay que tener en cuenta la profundidad, el número y el diámetro de dichos pilotes. Esto no quiere decir que en este tipo de suelo no pueda utilizarse el método de cimentación por zapatas; en este caso, es la dimensión de este elemento la que influye en la decisión, puesto que si es de grandes proporciones implica aumentar la cantidad de material y, en consecuencia, los costos. También es importante evaluar las condiciones del terreno por intervenir y las construcciones circundantes, pues, en el caso de las ciudades, implementar zapatas afectaría el tráfico vehicular.
Ubicación del terreno
Las características del puente dependerán de las condiciones geográficas del lugar donde será levantado. Por ejemplo, para las estrucPuente Sisga, Cundinamarca.
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turas con pilas en lechos de ríos, los factores determinantes son el tipo de cimentación y los dados que soportan el sistema de columnas, pues el sometimiento de la estructura a la fuerza de la corriente debe reducirse al mínimo. Una solución viable es redondear los dados o las columnas, según el caudal. En ríos navegables se deben tomar precauciones como el manejo del gálibo vertical –altura que debe existir entre la parte inferior de la viga y el suelo– y la longitud de luces entre columnas, para minimizar el eventual choque de barcazas con la infraestructura. El análisis de la ubicación del terreno también determina la resistencia del puente al alto oleaje o al impacto de un deslizamiento. En algunos casos, como el del puente La Estampilla, situado en Caldas, puede presentarse el reto de construir sobre una falla tectónica, con lo cual aumentará la probabilidad de que el diseño se afecte por un sismo.
Acceso a la obra De la ubicación del terreno depende el acceso a la zona, variable que repercute en el proceso de construcción y de movilización de maquinaria y personal. En algunos casos, es necesario realizar la cimentación mediante caissons, debido a que hasta el lugar no pueden llegar piloteadoras o excavadoras.
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Las condiciones de acceso también definen los materiales y su manejo dentro de la obra. Así, se determina el tipo de estructura (fundida ‘in situ’ o prefabricada en taller). Si no es posible el ingreso de transporte pesado, los elementos prefabricados deben limitarse en longitud y tamaño, lo cual hace el proceso menos ágil y más costoso. Por otra parte, si la topografía es escarpada, para fundir el concreto se usan carros de avance y, en algunas ocasiones, piezas prefabricadas. Ahora, si la decisión es trabajar con acero, la colocación de las vigas se realizará por medio de dos sistemas: empujado y lanzado, procesos que se llevan a cabo con gato hidráulico o malacate. El sistema de lanzado se diferencia por el uso de un elemento o nariz de lanzamiento que tiene como función acortar la distancia entre la viga y la columna.
Materiales: propiedades y comportamiento a largo plazo
El concreto y el acero se ven sometidos a movimientos relacionados con el cambio de temperatura, efectos de retracción, acortamientos por fraguado, cargas de tráfico, asentamientos diferenciales, tolerancias o relajación. Del cálculo de estos movimientos se deriva la elección de los sistemas de apoyo y las juntas de expansión, pues es la superestructura la que se somete a estos
En algunos lugares de Colombia, la situación de orden público es el factor que más influye en la selección del tipo de estructura y del material por emplear.
Puente Quebrada Negra, montaje por lanzamiento, Antioquia.
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efectos. En algunos casos, la reducción puede llegar a ser de más de 20 cm en cada extremo de la superestructura; la diferencia de altitud entre el puente y el terraplén de acceso también puede presentar condiciones similares. Para puentes en los cuales el cálculo de acortamiento es mínimo, el ingeniero Gregorio Rentería, de GRISA, recomienda el uso de sistemas de apoyo de neopreno, dado que la capacidad de deformación de este material permite una alta liberación de energía. No obstante, luego de un sismo fuerte y prolongado, este apoyo no mantiene sus características iniciales, lo que implica la sustitución del neopreno. Para acortamientos pronunciados, Rentería sugiere el sistema POT. Para implementarlo, es necesaria una cimentación que resista las fuerzas en dirección transversal, puesto que este sistema libera energía en una sola dirección (longitudinal).
Clima
Las condiciones atmosféricas de la zona también determinan las características de los materiales de la estructura, pues estos deben soportar las variaciones de temperatura y tolerar los movimientos que causan los cambios climáticos. Prever los efectos del clima en la zona hace que el puente responda adecuadamente a las situaciones producidas por desastres naturales. Ejemplo de esto son los cálculos que deben hacerse para soportar una avalancha sin que los materiales arrastrados se represen. Respecto a la lluvia, es primordial que el diseño geométrico contemple el ángulo de bombeo que debe tener la placa del puente, para que el drenaje sea eficaz. Cuando en la zona haya precipitaciones fuertes y crecientes de los ríos, se recomienda llevar a cabo el proceso de cimentación en época de verano; de esta manera, no es necesario construir planchones especiales para soportar la maquinaria o fundir pantallas de concreto a las orillas del río. En conclusión, no existe una fórmula universal ni estricta para diseñar y construir un puente; son múltiples los aspectos que se deben analizar, lo que convierte el resultado en una estructura de características únicas. Si bien es cierto que existen tipologías y sistemas constructivos específicos, también lo es que el éxito y la eficacia de la obra radican en la convergencia, el ingenio y la experiencia del equipo de trabajo.
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Puente Dosquebradas, Risaralda.
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En proyectos con luces de gran longitud y dificultades de acceso, como el puente de Pipiral, situado en la vía Bogotá-Villavicencio, puede ser necesario emplear helicópteros o construir un teleférico para transportar los materiales del puente y a los trabajadores.
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Tipologías y procesos constructivos PENDOLÓN Elemento vertical que forma el armazón de las estructuras en arco.
PLACA Y TERRAPLÉN DE ACCESO Se sitúan en cada extremo del puente. Su diseño debe tener en cuenta el asentamiento. En algunos casos, el terraplén se reemplaza por una estructura con cimentación propia.
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Acera u orilla de concreto que debe construirse en los puentes vehiculares por los que también haya tránsito peatonal.
PLACA Se ubica sobre las vigas principales o secundarias, y hacia ellas transmite las cargas. Para proteger la placa, que generalmente es de concreto, se instala la carpeta asfáltica.
RIOSTRA Impide la deformación de los elementos estructurales por torsión.
CIMENTACIÓN Generalmente, en puentes se utilizan pilotes –hincados o pre-excavados–, caissons –excavados a mano– y zapatas. Estas últimas trabajan por compresión, mientras que los dos primeros lo hacen por punta o fricción, o combinados.
DADO O ZAPATA Transmite las cargas de la columna a la cimentación.
Plano: cortesía S&A.
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Para lograr una armónica convergencia es fundamental conocer las tipologías básicas para la construcción de puentes, y los elementos que componen estas estructuras.
TIRANTE Se utiliza en puentes atirantados, colgantes y extradosados. Por lo general, es un cable de acero cuyo diámetro y longitud depende del esfuerzo al que se someta la estructura.
BARRERA DE TRÁFICO Y BARANDA Muros para proteger al usuario en caso de accidente: impiden que el vehículo se salga de la superestructura. Pueden ser de metal o concreto.
COLUMNA Y ESTRIBO VIGA Elemento lineal que cumple funciones estructurales dentro del puente. Por lo general, se ubica en forma longitudinal, pero también se usa de manera transversal para reforzar las vigas principales.
Soportes verticales de la superestructura. Los estribos son los apoyos finales del puente y se ubican en los extremos del mismo. Para resistir mejor la acción de los agentes naturales, el material más utilizado es el concreto.
APOYOS Son sistemas que protegen la estructura de movimientos sísmicos o del comportamiento irregular del material. De esta categoría forman parte los amortiguadores y los aisladores sísmicos.
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VIGA CABEZAL Su uso depende del diseño. Este elemento recibe la carga de la superestructura y la transmite a la columna.
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