LOS
PUENTES: CONSTRUCCIÓN
MATERIALES
A
lo largo de la Historia se han empleado cuatro materiales básicos para
construir puentes: la
madera, la
piedra, el
hierro y el
hormigón. A estos cuatro hay que añadir otros dos que se han
empleado con menor frecuencia: el
ladrillo, hecho de arcilla cocida; y el aluminio, que se ha
utilizado excepcionalmente para construir puentes o partes de ellos.
Actualmente se están utilizando también materiales
compuestos, formados por fibras de materiales muy resistentes
incluidos en una matriz de resina, pero todavía estamos lejos de que estos
materiales puedan competir en los puentes con los materiales actuales.
Los dos primeros, la madera y la piedra, se pueden
considerar naturales porque se obtienen directamente de la naturaleza y se utilizan
sin ninguna transformación, únicamente es necesario darles forma. Los otros
dos, el hierro
y el hormigón,
son artificiales, porque las materias primas extraídas de la naturaleza
requieren transformaciones más o menos complejas que cambian sus propiedades
físicas.
Los cuatro materiales básicos han dado lugar a variantes y elementos compuestos
que, extrapolando el significado de la palabra material, podemos considerarlos nuevos
materiales.
Los materiales han tenido y tienen una importancia decisiva en la configuración
de las estructuras y por tanto de los puentes. Por ello, la historia de éstos
se puede dividir en dos grandes períodos: el período de los puentes de piedra y madera y el período de
los puentes de hierro y hormigón.
En
el primer período se utilizaron los dos materiales que hemos considerado
naturales, la piedra y la madera. Se utilizó también el ladrillo, pero los
puentes de este material se pueden incluir como subgrupo de lo de la piedra; el
ladrillo, para el constructor de puentes, es un pequeño sillar con el que se
pueden hacer arcos de dovelas yuxtapuestas; por tanto la morfología de los
puentes de ladrillo es la misma que la de los puentes de piedra.
Con piedra y madera se construyeron muchos puentes; de piedra se conservan
muchos porque es un material durable, pero en cambio de madera se conservan muy
pocos porque es un material que se degrada con facilidad si no se cuida, y es
muy vulnerable al fuego y a las avenidas de los ríos. En este primer período,
la tecnología de los puentes estaba poco desarrollada, y por ello los
materiales tenían una influencia decisiva en su configuración.
En
el segundo período, el de los puentes metálicos y de hormigón, los materiales
también tuvieron gran importancia en la configuración de los puentes, pero tanto
o más que ello han tenido las distintas estructuras, que tuvieron un
espectacular desarrollo en el siglo XIX, y ello dio lugar a procesos
cuasi-independientes de cada equipo; por ello su evolución y desarrollo lo
hemos estudiado según las diferentes estructuras, subdividiéndolos en los
distintos materiales
El hierro
fundido se empezó a utilizar como material de construcción a
finales del s. XVIII y ello supuso una auténtica revolución en los puentes;
puede establecerse que este hecho dio lugar a un nuevo período de su historia.
Se utilizó inicialmente en forma de piezas fundidas que se ensamblaban en obra
mediante pernos.
Del hierro dulce fundido se pasó a mediados de s. XIX al al hierro forjado, de mayor
resistencia y de regularidad, y a finales del mismo s. al acero, que superó a
los dos anteriores en resistencia y calidad. El nuevo material, el hierro, fue
la causa primera, aunque no la única, del espectacular, desarrollo que se
produjo en los puentes durante el s. XIX.
A finales del s. XIX apareció el hormigón, piedra
artificial, más concretamente un conglomerado, que permitió hacer arcos mayores
que los de piedra natural. Este nuevo material dio lugar muy pronto a un nuevo
sistema de hacer estructuras: el hormigón
armado, una colaboración entre el hierro y el hormigón, que
permite construir vigas de luces considerables y afinar las dimensiones de los
arcos, lo que no es posible con el hormigón en masa ni con la piedra. El
hormigón armado se puede considerar un nuevo material, se se le da a esta palabra
un sentido más amplio que el que define el Diccionario de la Real Academia.
Posteriormente, al terminar la primera mitad del siglo XX, apareció el hormigón pretensado, una
forma de colaboración más perfecta entre el acero y el hormigón, que amplió
extraordinariamente las posibilidades del hormigón armado. Contemporáneas del
hormigón pretensado son las estructuras
mixtas, otra forma de colaboración del acero y el hormigón,
pero en este caso los dos materiales no se mezclan tan íntimamente, sino que se
yuxtaponen. Se han hecho muchas tentativas de utilizar
aleaciones de aluminio
en la construcción de puentes por su mayor resistencia específica (fuerza
resistida por unidad de peso y longitud) que el acero, debido a su ligereza, y
de hecho se han construido puentes de este material; pero son casos aislados a
causa de su precio, de las dificultades que plantea la unión de las piezas, y
los problemas que han causado. Su ligereza lo ha hecho siempre atractivo,
especialmente en los puentes móviles que es en los que más se ha utilizado este
material; uno de ellos es el de Banbury,
un pequeño puente móvil en Oxfordshire, Inglaterra. El puente de Hendon Dock en Inglaterra es
el primer puente móvil cuya estructura es toda de aluminio; es un puente
basculante de doble hoja, de 27 m de luz; se terminó en 1948. Su vida ha sido
corta, porque se sustituyó en 1976 a causa de la corrosión que se había
producido en el aluminio.
En 1950 se terminó en Canadá el puente arco de Arvida, la ciudad de la industria del aluminio,
sobre la garganta del río Saguenay, hecho totalmente de aluminio. Tiene 91,5 m
de luz y es, seguramente, el mayor puente de este material que se ha hecho en
el mundo.
En otros puentes se ha utilizado el aluminio únicamente en la plataforma de la
calzada, con vigas principales de acero; así es el puente de la esclusa de Zandvliet en Bélgica de 63 m
de luz. También es de aluminio una pasarela en Düsseldorf de 52 m de luz, construida en 1953.
En 1933 se sustituyó la plataforma del puente de Smithfield sobre el río Monongahela en
Pittsburgh por una estructura de vigas de aluminio para reducir su peso y
mejorar su capacidad de carga. Pero en 1936 se descubrieron fisuras en las
vigas de aluminio, atribuidas a problemas de fatiga.
Actualmente en los Estados Unidos se está volviendo a estudiar la posibilidad
de sustituir plataformas de puentes con estructuras de aluminio, y
recientemente se ha sustituido la de un puente colgante de 97 m de luz, el Corbin Bridge en el estado de
Pensylvania, que se hizo hace 60 años. En Tennessee hay un programa de cinco
años de investigaciones sobre plataformas de aluminio, porque se considera que
pueden ser competitivas con las de hormigón o metálicas.
Los
nuevos materiales que han ido apareciendo a lo largo de la Historia, han dado
lugar a innovaciones en los puentes, y a evoluciones de su tipología para
adaptarse a sus características. Al aparecer un nuevo material, los primeros
puentes que se construyen con él se proyectan con los tipos y formas de los
anteriores, que se habían hecho con otros materiales. Toda innovación
tecnológica produce desorientación inicial, pero al irse desarrollando la
tecnología del nuevo material, los puentes van evolucionado hasta llegar a su
madurez, y en ella se consigue una adecuación de materiales, estructuras y
formas.
Los
primeros puentes de hierro imitaron a los de piedra y madera, y los primeros de
hormigón a los metálicos; muchos de los primeros puentes de hormigón armado se
hicieron con vigas trianguladas, pero pronto se dejaron de utilizar porque se impusieron
las vigas de alma llena, más adecuadas a este material. El material es
fundamental en la concepción de un puente, porque sus posibilidades resistentes
son la que determinan las dimensiones de cada uno de los elementos que lo
componen, e influye decisivamente en la organización de su estructura. Además
de ello, el material tiene unas posibilidades tecnológicas determinadas en lo
que se refiere a fabricación, uniones, formas de los elementos básicos, etc.,
que son fundamentales a la hora de proyectar un puente.
Pero lo expuesto anteriormente no nos debe llevar a la idea de que los
materiales determinan unívocamente los tipos de puentes; dentro de las
posibilidades de cada uno de ellos cabe distintos tipos y distintas formas,
como fácilmente se puede comprobar si observamos un conjunto de puentes de un
mismo material, hechos en diferentes épocas, con diferentes condiciones del
medio, o proyectados por distintas personas. Excepcionalmente, en los puentes
de piedra sólo cabe un tipo de estructura: el arco de dovelas yuxtapuestas;
pero entre ellos hay diferencias sustanciales de forma, y esto se puede
comprobar también si observamos unos cuantos de ellos de distintos períodos,
tamaños, morfologías del cauce, etc.
El desarrollo de las tecnologías de los distintos materiales ha hecho que las
estructuras de los puentes tengan cada vez más posibilidades, lo que ha
permitido una mayor diversidad de formas y hacer puentes de hormigón y acero,
hasta el grado de que a veces es difícil a distancia saber de qué material
están hechos, especialmente en las vigas continuas con sección en cajón de alma
llena, metálicas o de hormigón, que se pueden confundir con facilidad si su
color es análogo. Un ejemplo muy ilustrativo de esta similitud, es el puente Colonia-Deutz, sobre el Rin,
Alemania, una viga metálica continua de canto variable de 185 m de luz máxima,
construida en 1948. Años después, en 1980, el puente se ensanchó, con una viga
continua igual a la anterior pero de hormigón.
Cronológicamente
los puentes metálicos han ido siempre por delante de los de hormigón, porque se
iniciaron aproximadamente un siglo antes. También han ido siempre por delante
en dimensiones, es decir, en sus posibilidades para salvar luces mayores,
porque el acero es un material con mayor resistencia específica que el
hormigón.
La resistencia específica del material es la que determina en mayor medida las
posibilidades de las estructuras. De ella dependen las luces máximas que se
pueden alcanzar en los puentes de cada tipo de estructura; en primer lugar
porque la luz límite, es decir la máxima que puede soportar su propio peso, es
función de esta resistencia; y en segundo lugar porque influye decisivamente en
los procedimientos de construcción.
A igualdad de luz, cuanto mayor sea la resistencia específica del material, más
ligera será la estructura, y por tanto menos pesarán las partes en que se
divida. Esto facilita la construcción, porque los pesos de las piezas a montar
o a fabricar serán menores, y por tanto se puede llegar a estructuras más grandes.
Hay otros factores que intervienen en la construcción de un puente, pero
básicamente las posibilidades de construcción dependen de la resistencia específica del
material, y por ello los puentes de mayor luz han sido y serán siempre
metálicos, hasta que se desarrollen nuevos materiales.
En el momento actual se
están empezando a probar nuevos materiales para construir puentes con mayor resistencia específica que el
acero. Son los materiales
compuestos, formados por fibras unidas con una matriz de
resina, que se utilizan ya desde hace muchos años en la industria aerospacial,
aeronáutica y del automóvil, pero que, por diversas razones, todavía no se ha
desarrollado su empleo en la construcción, aunque ya se han utilizado en
algunos puentes como armadura activa, y se ha construido alguna pasarela con
estos materiales.
Puente de materiales compuestos
La mayor resistencia
específica de los materiales compuestos hará que en un futuro
llegue a haber materiales competitivos con el acero y el hormigón para hacer
puentes, pero tiene que pasar tiempo hasta que se resuelvan todos los problemas
que estos materiales plantean en la construcción de los puentes y, sobre todo,
hacerlos asequibles económicamente.
ELEMENTOS FUNDAMENTALES
Los
puentes se dividen en dos partes principales: la superestructura, o
conjunto de los tramos que salvan los vanos situados entre los soportes, y la infraestructura,
formada por los cimientos, los estribos y las pilas que soportan los tramos.
Superestructura
Infraestructura
Los estribos van situados en los extremos del puente y sostienen los
terraplenes que conducen a él; a veces son remplazados por pilares hincados que
permiten el desplazamiento del suelo en su derredor. Las pilas son los
apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos; los cimientos
están formados por las rocas, terreno o pilotes que soportan el peso de
estribos y pilas. Los tramos más cortos que conducen al puente propiamente
dicho se llaman de acceso y en realidad forman parte de la fábrica.
Estribos
Pilas
Cimientos
Cada
tramo consta de una o varias armaduras de apoyo, de un tablero o piso y de los
arriostrados laterales o vientos. El tablero soporta directamente las cargas
dinámicas (tráfico) y por medio de las armaduras transmite sus tensiones a
estribos y pilas, que, a su vez, las hacen llegar a los cimientos, donde se
disipan en la roca o terreno circundantes.
Las armaduras pueden ser placas,
vigas y jabalcones, que transmiten las cargas mediante flexión o curvatura
principalmente; cables, que las soportan por tensión; vigas de celosía, cuyos
componentes las transmiten por tensión directa o por compresión; y, finalmente,
arcos y armaduras rígidas que lo hacen por flexión y compresión a un tiempo.
El
tablero está compuesto por un piso de planchas, vigas longitudinales o
largueros sobre los que se apoya el piso y vigas transversales que soportan a
los largueros. En muchos puentes los largueros descansan directamente en las
pilas, o en los estribos. Otros modelos carecen de tales miembros y sólo las
vigas transversales, muy unidas, soportan al tablero. En una tercera clase de
puentes el piso descansa sobre el armazón sin utilizar ni vigas ni largueros.
Los
arriostramientos laterales van colocados entre las armaduras para unirlas y
proporcionar la necesaria rigidez lateral. El arriostrado transmite también a
estribos y pilas las tensiones producidas por las fuerzas laterales, como las
debidas a los vientos, y las centrífugas, producidas por las cargas dinámicas
que pasan por los puentes situados en curvas. En algunas ocasiones se utilizan
chapas de refuerzo transversales o diafragmas para aumentar la rigidez de los
largueros. Tales diafragmas mantienen la alineación de los largueros durante la
construcción y tienden a equilibrar la distribución transversal de las cargas
entre los mismos. Algunos puentes construidos de hormigón armado no necesitan
vientos ni diafragmas.
Los
puentes de gran tamaño descansan generalmente sobre cimientos de roca o tosca,
aunque haya que buscarlos a más de 30 m bajo el nivel de las aguas. Cuando
tales estratos están muy lejos de la superficie, es preciso utilizar pilares de
profundidad suficiente para asegurar que la carga admisible sea la adecuada.
Los puentes pequeños pueden cimentarse sobre grava o arcilla compacta, siempre
que sus pilas y, estribos tengan la profundidad necesaria para soportar la
acción socavadora de las aguas. Los pilotes se utilizan cuando la cimentación
no tiene suficiente resistencia o cuando es preciso prevenir los peligros de la
erosión.
CONSTRUCCIÓN
En
el proyecto de un puente, el problema fundamental que se plantea es saber cómo
va a ser, es decir qué tipo de estructura va a tener, qué material se va a
utilizar, cuáles van a ser sus luces, etc. Pero este cómo va a ser el puente,
viene condicionado por diferentes factores; el primero de ellos es conocer su
comportamiento resistente, es saber cómo va a ser su estructura. Pero además de
saber cómo va a ser el puente, es necesario saber cómo se va a hacer, es decir,
el procedimiento a seguir para llevar a buen fin su construcción. Este conocer
cómo se va a hacer, va adquiriendo cada vez más importancia, a medida que crece
la luz del puente, llegando a ser casi decisivo en las grandes luces.
Actualmente los puentes de luces mayores que se construyen son los colgantes y
atirantados, entre otras razones porque sus procedimientos de construcción son
más fáciles de llevar a cabo y requieren menos medios, que los de otras
estructuras.
Ambos
problemas, saber cómo va a ser el puente y saber cómo se va a hacer, no se
pueden separar, sino que en el momento de hacer un proyecto se deberán tener en
cuenta simultáneamente. La importancia del proceso de construcción es tan
grande y está tan presente en el ingeniero que, como hemos visto, muchos tipos
de puentes se conocen por su procedimiento de construcción.
Dadas
las posibilidades tecnológicas actuales, la construcción de un puente, salvo
los muy pequeños, se deberá dividir en partes; este fraccionamiento será tanto
mayor cuanto mayor sea la luz del puente, aunque en ello intervienen otros
factores que pueden corregir este planteamiento básico. El puente se deberá
construir por adición de partes sucesivas, de forma que en cada etapa de
construcción se crea una estructura parcial que se debe resistir a sí misma y
debe permitir la construcción de la fase siguiente; o bien, se puede utilizar
una estructura auxiliar que resista las diferentes partes, hasta que la
estructura esté acabada, se resista a sí misma, y entonces se pueda retirar la
estructura auxiliar.
El
proceso de construcción adecuado será el que necesite los mínimos medios de
fabricación y montaje, o los mínimos materiales adicionales para poder resolver
la construcción, es decir, para conseguir que las estructuras parciales se
soporten a sí mismas y soporten la fase siguiente. Este planteamiento se verá
corregido por otros factores que intervienen en el proceso, pero será siempre
un factor determinante a la hora de elegir la solución de un puente, y su
influencia será cada vez mayor según crece su luz.
La
economía de medios de construcción se consigue más fácilmente cuando las
estructuras parciales sucesivas que se van creando al construir el puente, son
los más parecidas posibles en su modo de resistir a la estructura final, y por
tanto los materiales que es necesario añadir para resistir estos estados
intermedios serán mínimos o nulos. Ejemplo de un proceso de construcción
adecuado es el de los voladizos sucesivos para construir puentes viga, porque
los momentos flectores del voladizo van a ser menores que los de la estructura
terminada. En cambio, la construcción de un arco por voladizos atirantados
requiere tirantes provisionales, y en general más armadura en el arco de la que
necesita el puente terminado. Esto no invalida la solución arco respecto de la
solución viga, construidos ambos por voladizos sucesivos, porque el proceso de
construcción, aunque es fundamental, no es el único factor que define la
economía del puente. Para evaluar el costo de la obra acabada es necesario
sumar los materiales de la propia obra y todos los elementos necesarios para su
construcción. No siempre será más económica la obra con un proceso de
construcción más adecuado y por tanto más económico, porque puede haber casos
en que el exceso de materiales y de medios auxiliares necesarios para la
construcción, se vea compensado por la economía de materiales de la propia
obra, de forma que la suma total puede resultar menor que en otras estructuras
con procesos de construcción más económicos. Ejemplo de ello puede ser el
arco, que por ser una estructura que resiste por forma, no puede funcionar como
tal hasta que no se completa. Ello exige gran cantidad de medios para su
construcción, pero la economía de materiales del puente arco terminado puede
compensar en muchos casos el exceso de medios auxiliares.
También se reducen los medios de construcción, haciendo que las diferentes
partes que van a formar el puente sean lo más ligeras posibles. Conviene por
tanto utilizar materiales con la mayor resistencia específica posible. Por
ello, la construcción de un puente metálico es siempre más económica que la de
uno equivalente de hormigón, y a esto se debe que los puentes de grandes luces
serán siempre metálicos, o de otros materiales de resistencia específica menor.
En los puentes de luces pequeñas, medias, e incluso grandes sin llegar a las
mayores, la economía del costo del hormigón respecto del acero puede compensar
el mayor costo de la construcción, pero en los más grandes no.
En el momento actual se empiezan a utilizar los materiales compuestos, aunque
su costo es todavía muy alto para que se puedan considerar materiales de
construcción.
Un
problema fundamental, que es determinante en muchos casos a la hora de elegir
el proceso de construcción de un puente, es la independencia respecto del medio
donde se encuentra. No hay que olvidar que el fin del puente es independizar la
plataforma de la vía de tráfico del agua o del suelo que hay bajo él, y por
ello el proceso de construcción necesitará con mucha frecuencia la misma
independencia del medio que la obra acabada; ejemplo de ello son los puentes
sobre ríos de gran caudal, de avenidas frecuentes, o navegables; o los pasos
sobre autopistas en funcionamiento. En estos casos será necesario que, una vez
construidos los cimientos, el resto de la obra se construya con la máxima
independencia posible del suelo. Este problema condiciona de forma decisiva la
construcción de los puentes, y ha dado lugar a muchos de los procedimientos de
construcción que se utilizan hoy en día, y que estudiaremos en los distintos
tipos de puentes.
Los problemas señalados y muchos otros particulares de cada proyecto llevarán
en cada caso a adoptar el tipo de estructura, el material, y el proceso de
construcción, más adecuados para el puente que se quiere construir.
Tomado de:
- http://puentes.galeon.com/construccion/construccion.htm
