PUENTES
Un puente es una construcción que permite salvar un accidente geográfico como un río, un cañón, un valle, un camino, una vía férrea, un cuerpo de agua o cualquier otro obstáculo físico. El diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la naturaleza del terreno sobre el que se construye.
Su proyecto y su cálculo pertenecen a la ingeniería estructural, siendo numerosos los tipos de diseños que se han aplicado a lo largo de la historia, influidos por los materiales disponibles, las técnicas desarrolladas y las consideraciones económicas, entre otros factores. Al momento de analizar el diseño de un puente, la calidad del suelo o roca donde habrá de apoyarse y el régimen del río por encima del que cruza son de suma importancia para garantizar la vida del mismo.
Puente Golden Gate, San Francisco
HISTORIA DE LOS PUENTES
La necesidad humana de cruzar pequeños arroyos y ríos fue el comienzo de la historia de los puentes. Hasta el día de hoy, la técnica ha pasado desde una simple losa hasta grandes puentes colgantes que miden varios kilómetros y que cruzan bahías. Los puentes se han convertido a lo largo de la historia no solo en un elemento muy básico para una sociedad, sino en símbolo de su capacidad tecnológica.
De la prehistoria a los grandes constructores romanos
Los puentes tienen su origen en la misma prehistoria. Posiblemente el primer puente de la historia fue un árbol que usó un hombre prehistórico para conectar las dos orillas de un río. También utilizaron losas de piedra para arroyos pequeños cuando no había árboles cerca. Los siguientes puentes fueron arcos hechos con troncos o tablones y ocasionalmente con piedras, empleando un soporte simple y colocando vigas transversales. La mayoría de estos primeros puentes eran muy pobremente construidos y raramente soportaban cargas pesadas. Fue esta insuficiencia la que llevó al desarrollo de mejores puentes.
Puente de arcos
El arco fue usado por primera vez por el Imperio romano para puentes y acueductos, algunos de los cuales todavía se mantienen en pie. Los puentes basados en arcos podían soportar condiciones que antes habrían destruido a cualquier puente.
Un ejemplo de esto es el Puente de Alcántara, construido sobre el Río Tajo, cerca de Portugal. La mayoría de los puentes anteriores habrían sido barridos por la fuerte corriente. Los romanos también usaban cemento, que reducía la variación de la fuerza que tenía la piedra natural. Un tipo de cemento, llamado pozzolana, consistía en agua, lima, arena y roca volcánica. Los puentes de ladrillo y mortero fueron construidos después de la era romana, ya que la tecnología del cemento se perdió y más tarde fue redescubierta.
La necesidad humana de cruzar pequeños arroyos y ríos fue el comienzo de la historia de los puentes. Hasta el día de hoy, la técnica ha pasado desde una simple losa hasta grandes puentes colgantes que miden varios kilómetros y que cruzan bahías. Los puentes se han convertido a lo largo de la historia no solo en un elemento muy básico para una sociedad, sino en símbolo de su capacidad tecnológica.
Puente de cuerdas
Los puentes de cuerdas, un tipo sencillo de puentes suspendidos, fueron usados por la civilización Inca en los Andes de Sudamérica, justo antes de la colonización europea en el siglo XVI.
El puente en la Edad Media
Después de esto, la construcción de puentes no sufrió cambios sustanciales durante mucho tiempo. La piedra y la madera se utilizaban prácticamente de la misma manera durante la época napoleónica que durante el reinado de Julio César, incluso mucho tiempo antes. La construcción de los puentes fue evolucionando conforme la necesidad que de ellos se sentía. Cuando Roma empezó a conquistar la mayor parte del mundo conocido, iban levantando puentes de madera más o menos permanentes; cuando construyeron calzadas pavimentadas, alzaron puentes de piedra labrada.
A la caída del Imperio romano, el arte sufrió un gran retroceso durante más de seis siglos. El hombre medieval veía en los ríos una defensa natural contra las invasiones, por lo que no consideraba necesario la construcción de los medios para salvarlos. El puente era un punto débil en el sistema defensivo feudal. Por lo tanto muchos de los que estaban construidos fueron desmantelados, y los pocos que quedaron estaban protegidos con fortificaciones.
La Edad Moderna en los puentes
Durante el siglo XVIII hubo muchas innovaciones en el diseño de puentes con vigas por parte de Hans Ulrich, Johannes Grubenmann y otros. El primer libro de ingeniería para la construcción de puentes fue escrito por Hubert Gautier en 1716.
La revolución del acero y el hormigón
Con la Revolución industrial en el siglo XIX, los sistemas de celosía de hierro forjado fueron desarrollados para puentes más grandes, pero el hierro no tenía la fuerza elástica para soportar grandes cargas. Con la llegada del acero, que tiene un alto límite elástico, fueron construidos puentes mucho más largos, muchos utilizando las ideas de Gustave Eiffel.
PARTES DE UN PUENTE
En su aspecto técnico, la ingeniería de un puente tradicional diferencia, además de los cimientos, dos partes esenciales: la superestructura y la infraestructura, y en ellas, pueden desglosarse los siguientes componentes básicos:
- Tramo: Parte del puente que sostienen bastiones y/o pilastras.
- Bastión: En la subestructura, apoyo para un tramo.
- Relleno o ripio: Retenido por los estribos, sustituye los materiales (tierra, rocas, arena) removidos, y refuerza la resistencia de bastiones, pilastras.
- Asiento: Parte del bastión en el que descansa un tramo, y en el caso de las pilas los extremos de dos tramos diferentes.
- Losa de acceso: Superficie del rodamiento que se apoya en la ménsula.
- Luz (entre bastiones): Distancia media entre las paredes internas de bastiones y/o pilas.
- Contraventeo: Sistema para dar rigidez a la estructura.
- Tablero: Base superior de rodaje que sirve además para repartir la carga a vigas y largueros, en casos especiales, el tablero puede estar estructurado para sostener una vía férrea, un canal de navegación, un canal de riego, en estos dos últimos caso se les llama "puente canal"; o una tubería, en cuyo caso se llama puente tubo.
- Viga trasversal.- armadura de conexión entre las vigas principales (un ejemplo de conjunto son las vigas de celosía)
- Apoyos fijos y de expansión: Placas y ensamblajes diseñados para recibir, repartir y transmitir reacciones de la estructura (ejemplos de este tipo de apoyo son los rodines y balancines).
- Arriostrados laterales o vientos: Unen las armaduras y les dan rigidez.
Otras secciones: goznes, juntas de expansión, marcos rígidos, placas de unión, vigas de diversas categorías y superficie de rodamiento.
TIPOS DE PUENTES
La elección de uno u otro material y método de construcción no suele hacerse por simple cálculo económico comparativo de las diversas soluciones posibles, sino que se tienen en cuenta otros factores, como espesores y luces deseados, cargas de uso y resistencia del terreno donde se llevará a cabo la cimentación. Los puentes se construyen para soportar las cargas acostumbradas, y tienen gran importancia las acciones ecológicas o del medio, entre las cuales se cuentan: el efecto de la temperatura, acción del viento y, aunque se consideran con menos frecuencia, el efecto de la humedad, el de choque de vehículos y el de asientos del terreno.
Según la forma de resistir la estructura, un puente puede ser: de arco, de tramo recto y colgante.
Puentes de arco
Responden al concepto más generalizado de puente y en ellos se incluyen todos los de piedra. Considerado como estructura, el arco se caracteriza porque en él sólo existen esfuerzos de compresión; cada “dovela” (rebanada o sección de arco) recibe de la anterior y transmite a la siguiente esfuerzos normales a la superficie de separación y así, al llegar a los apoyos, sólo existe un esfuerzo vertical de compresión. Como la piedra sólo puede soportar compresiones, hasta que no se aplican otros materiales, los puente son siempre de arco. El puente de arco ha de llevar una plataforma para el paso de vehículos, es el denominado “tablero”. Según su posición relativa al arco, el puente de arco podrá ser de tablero superior, intermedio e inferior. El arco suele ser circular, pero en algunas pasarelas de peatones se ha aplicado el arco parabólico, con la ventaja de que el tablero se adapta a la forma parabólica en lugar de ser recto, lo que logra un aspecto estético.
Los materiales más utilizados en la actualidad son: el hormigón armado y la celosía de acero. En arcos de hormigón se ha alcanzado una luz de 300 m; el mayor que existe en España, y que fue récord mundial durante algunos años, es el viaducto del Esla, en el ferrocarril de Zamora a Orense; es de tablero superior y tiene una longitud de 210 m. En arcos de celosía metálica se han alcanzado luces de hasta 500 m.
Del puente de arco derivan otros dos tipos. El primero es el de “arcos múltiples”, generalmente de hormigón, solución que suele aplicarse a viaductos; a este tipo pertenece el del Esla, citado anteriormente. El segundo es el puente de arco ”atirantado” o puente de “bóveda”, que sólo cumple en parte el principio resistente de los arcos. En efecto, el arco no está completo, por lo que el esfuerzo en los apoyos no es vertical, sino que tiene una componente horizontal; estas componentes se contrarrestan con un tirante de un material que puede resistir esfuerzos de tracción, como el hormigón armado y el acero. Dicho tirante se suele colocar a la altura del tablero. Son frecuentes los puentes de este tipo en los que el arco es de celosía metálica y el tirante una viga metálica de alma llena; también se utiliza en ocasiones el
hormigón pretensado. En la construcción se suele acudir al uso de “cimbras”, que son andamiajes que reproducen la forma del puente.
Puentes de tramo recto
Las soluciones posibles son diferentes según tenga el puente uno o varios tramos. Con un solo tramo, la solución más elemental es la de un tablero apoyado sobre dos elementos verticales, con el inconveniente de que el tablero trabaja a flexión al paso de cargas; por eso se pueden inclinar los apoyos hacia el centro del puente, disminuyendo la luz y consecuentemente el valor de la flexión. De esta solución se pasa a hacer solidarios los elementos vertical y horizontal, formando un pórtico, con el inconveniente de tener que considerar la temperatura en el cálculo. Otro tipo de puente es el de “voladizos compensados”, aporticado o no, y con la variante de apoyos con dos voladizos, solución muy empleada hoy en día. Los puentes de varios tramos se logran generalmente por repetición de elementos como los anteriores, dando lugar a un nuevo tipo de puente: el de pórtico múltiple. Los puentes de tramo recto pueden realizarse en hormigón armado, pretensado y metálicos de celosía o alma llena; estos últimos suelen ser de canto variable, que mejora el aspecto estético y se adapta a la ley de flexiones.
Los métodos constructivos suelen ser muy diversos: por ejemplo, se utiliza el de la viga de celosía autolanzable, que permite, una vez construidos los apoyos, colocar la viga de celosía ya fabricada, haciéndola avanzar convenientemente contrapesada. Este mismo método puede servir, utilizando la viga como cimbra, para construir puentes de cualquier otro material; por ejemplo, en los de hormigón no prefabricados, para sujetar el encofrado y colocar el hormigón “in situ”. Como el puente es una estructura donde hay elementos que se repiten, la prefabricación es aplicada exhaustivamente, por la ganancia de tiempo que se logra, pues, una vez terminados los apoyos, basta colocar las vigas que se tienen fabricadas de antemano, lo que se podrá realizar con grúas que avancen sobre la parte de puente ya construida. Una técnica que cada vez es más utilizada es la de prefabricación de dovelas y colocación de las mismas en los puentes de ménsulas compensadas. Consiste en construir el apoyo y unos cinco metros de viga a cada lado; sobre éstos se montan dos carros que servirán de medio auxiliar para la puesta en obra de las dovelas. Una vez colocada la primera de éstas, se tensa su armadura y queda preparada para que el carro avance sobre ella y se pueda colocar la siguiente; al final, los voladizos contiguos se hacen solidarios o bien se articulan. Éste es un método de “postesado” que no se debe confundir con el pretensado: los principios de ambos métodos son los siguientes: en el pretensado, las armaduras, de acero muy resistente, se someten a tracción, se hormigona y, terminado el fraguado, las armaduras se anclan en sus extremos y se sueltan; queda la pieza sometida a una compresión y, por tanto, apta para resistir tracciones mayores que una pieza armada normal; en el “postensado”, por el contrario, la pieza se hormigona conteniendo unos tubos por los que se introducen las armaduras, una vez terminado el fraguado; se tensan y se anclan los extremos mediante unos tacos; queda la armadura traccionada y la pieza comprimida. La sección de las vigas prefabricadas suele ser en T o tipo cajón.
Puentes colgantes
En este tipo de puentes el tablero cuelga mediante unos tirantes, sometidos a tracción, de cables sustentadores que, a su vez, son soportados por unas altas pilas y cuyos extremos se anclan en macizos de hormigón empotrados en el terreno. El tablero suele ser una viga metálica de celosía metálica, para que tenga la rigidez adecuada. Los cables metálicos adoptan la forma parabólica y son de gran flexibilidad, aunque sus diámetros alcanzan el metro. En el cálculo de estos puentes es esencial considerar el efecto del viento porque se trata de estructuras muy ligeras para las luces que salvan. Son el tipo de puentes indicados para grandes luces, como en desembocaduras de ríos cuya navegabilidad quiera conservarse. La luz máxima alcanzada es de 1.298 m, en el Verrazano Bridge, en Nueva York; sin embargo, el puente colgante más largo del mundo es el Mackinac, también en Estados Unidos. En Europa, el mayor es el de Lisboa, sobre el río Tajo. El principio resistente del puente colgante está pensado para la estructura metálica, pero últimamente se ha aplicado el hormigón pretensado, como por ejemplo en el puente de Maracaibo, en Venezuela.
Puentes especiales
Si se precisa mantener la navegabilidad de un río, pero no es posible, por motivos económicos, la construcción de un puente colgante o de otro tipo que permita el paso de buques bajo ellos, se construye un puente con un tramo basculante, levadizo, rodante o giratorio, que, en el momento necesario, permita que el río pueda ser navegable, aun a expensas de cortar temporalmente la circulación de la otra vía. Dependiendo del tipo de movimiento que lleve a cabo el puente, se pueden distinguir, como ya se ha dicho, diversos modelos. Los puentes giratorios, que giran alrededor de un eje vertical; los puentes basculantes, que se levantan girando alrededor de un eje horizontal; los puentes levadizos, en los cuales una parte de su estructura se eleva a lo largo de guías paralelas en posición vertical; y los puentes
corredizos, que se desplazan hacia delante y hacia atrás, horizontalmente y a lo largo de su eje longitudinal.
Otros puentes que se apartan de los tipos descritos son los que se apoyan en pontones y que, o bien se construyen con fines bélicos, provisionalmente, o bien, si las cargas van a ser poco importantes, por motivos económicos, se acude a la sustitución de las pilas por pontones fondeados, entonces es definitiva su construcción.
Puentes de vigas trianguladas
La construcción de puentes con vigas de acero trianguladas o reticuladas se ha empleado mucho por su bajo coste. Desarrollos recientes han aumentado la longitud de los tramos, así como la utilización de estructuras reticuladas continuas.
En los últimos años se ha desarrollado la llamada construcción ortotrópica, en la cual unas planchas de acero de refuerzo actúan al mismo tiempo como soporte de la calzada y como soporte de las vigas transversales y de las vigas maestras longitudinales. Inaugurado en 1967, el mayor puente de este tipo es el San Mateo-Hayward, en San Francisco, Estados Unidos.
Puentes de pontones
Son puentes flotantes permanentes, a diferencia de las estructuras temporales militares, que se instalan en lugares donde las condiciones locales lo hacen necesario. Un puente flotante de 466 m atraviesa el río Hooghly, en Calcuta, la India; soporta una carretera a 8,2 m sobre el agua con 14 pares de pontones de hierro, de 48 m de largo y 3,1 m de ancho.
Puentes móviles
Además de las secciones de algunos puentes de pontones, los tramos móviles pueden ser basculantes (puentes levadizos), giratorios o de elevación vertical, según las necesidades locales. El primer tipo de puente basculante fue el ala abatible de madera que servía para cruzar el foso de los castillos y que se elevaba con cadenas desde el interior. Este tipo de puente, con uno o dos tramos de bisagra y contrapesados, es apropiado para vías navegables estrechas con mucho tráfico. El Puente de la Torre (1894) sobre el río Támesis, en Londres, es el ejemplo más famoso de este tipo de construcción.
Los puentes giratorios tienen un tramo móvil montado sobre un pivote o plataforma giratoria en su centro. El tramo más largo de este tipo de puente, con 166 m, es el de un puente para trenes y automóviles, terminado en 1927 que cruza el Mississippi en Fort Madison, Iowa, Estados Unidos.
Los puentes de elevación vertical se utilizan para tramos largos donde es necesario despejar toda la anchura del canal y a una altura considerable. El tramo de elevación vertical más largo transporta una vía de tren sobre Arthur Kill, entre Staten Island y Elizabeth, Nueva Jersey, Estados Unidos; se construyó en 1959. El tramo mide 170 m y tiene un margen de altura de 9,5 m cerrado y 41 m levantado.
Fallas en puentes
En una estadística realizada en 1976, sobre las causas de fallo o rotura de 143 puentes en todo el mundo, resultó:- 1 fallo debido a corrosión,
- 4 a la fatiga de los materiales,
- 4 al viento,
- 5 a un diseño estructural inadecuado,
- 11 a terremotos,
- 12 a un procedimiento inadecuado de construcción,
- 14 fallos fueron por sobrecarga o impacto de embarcaciones,
- 22 por materiales defectuosos y finalmente
- 70 fallos fueron causados por crecidas (de los cuales 66 fueron debidos a la socavación, 46% del total).
