Puentes de Acero

PUENTES DE ACERO: ESTRUCTURA, COMPONENTES, VENTAJAS Y DEFICIENCIAS

Introducción a los puentes metálicos

El puente de metal como tipo de estructura es extremadamente popular en todo el mundo y puede tener un número casi ilimitado de variaciones debido a una gran cantidad de formas estructurales posibles, así como diferentes tramos de puente, diferentes propósitos para un puente, etc.

Cualquier puente metálico recibe automáticamente todas las ventajas de una larga lista de beneficios que tiene el acero como material, incluida la velocidad de construcción, la relación resistencia-peso, la ductilidad, la producción en masa y las capacidades de prefabricación, etc. Este tipo de ventajas son las que hicieron que el acero fuera el mejor material para puentes (especialmente cuando se trata de proyectos de construcción de puentes más grandes), así como muchos otros tipos de estructuras.

Dado que el acero como aleación puede tener una multitud de variaciones diferentes creadas al agregarle varios elementos, es bastante difícil proporcionar parámetros específicos, pero podemos decir con seguridad que el acero básico regular tiene aproximadamente cien veces más resistencia a la tracción que el concreto medio, así como más de diez veces más resistencia a la compresión. También existe el factor adicional de la ductilidad: la capacidad del acero para deformarse antes de fallar, ya que el acero en su conjunto comenzaría a ceder considerablemente cuando supere un cierto umbral de nivel de tensión.
Proceso de diseño de puentes metálicos

Los diseños de puentes metálicos tienen mucha información en la que confiar, con una gran cantidad de orientación disponible para todo tipo de circunstancias y casos de uso. Hay tres partes principales en el proceso de diseño de puentes metálicos: diseño conceptual, diseño detallado y especificación. Aunque es importante recordar que estas tres partes no son una guía paso a paso, estas tres partes son esenciales para que un proceso de diseño de puente metálico adecuado se complete según lo previsto.

Diseño conceptual

La primera parte del proceso, el diseño conceptual inicial, incluye la mayor parte del trabajo que implica diseñar un puente de metal en primer lugar. El trabajo de un diseñador es proporcionar una solución estructural de acuerdo con muchos requisitos diferentes en este paso, como los requisitos generales de un ingeniero de alineación, la topografía general u otras restricciones del sitio de construcción, así como las limitaciones generales en términos de riesgos y costos.
Esta etapa puede no ser demasiado pesada en cálculos detallados en términos de las capacidades de la estructura, pero consultar con los contratistas principales y los contratistas de acero es esencial para estimar aproximadamente las capacidades de un material específico para un puente. En esta etapa, es fácil ver cómo las industrias de la construcción están influenciadas positivamente por las regulaciones gubernamentales: el Reino Unido es un buen ejemplo de eso, creando acuerdos de colaboración para la mayoría de las tareas de construcción de puentes, ofreciendo así a los diseñadores un acceso rápido tanto a la estructura del acero como a los contratistas principales.
Intentar minimizar el costo total de construcción de la estructura puede ser una de las mayores prioridades para este tipo de procesos, pero todos esos esfuerzos no deben tener una influencia negativa en la salud y la seguridad de estas estructuras, incluidos los puentes. En este paso es donde el diseñador tendría que considerar cómo se fabricaría e instalaría la estructura de acero en su conjunto, cómo se erigirá el puente en sí y todo sobre cómo se mantendrá el puente en cuestión.

El diseño conceptual como nombre puede no implicar muchos cálculos en primer lugar, pero el dimensionamiento preliminar es esencial aquí, incluso si se realiza con estimaciones crudas de cómo se distribuirá la carga para el puente en cuestión. Si el puente en cuestión es lo suficientemente complejo como para facilitar el uso de gráficos de diseño preliminares y software especializado (puentes de carreteras compuestos), entonces los cálculos serán más precisos.

Diseño detallado

El diseño detallado como parte del proceso puede no ser tan grande, pero no es menos significativo para el proceso general de construcción de puentes metálicos: realizar varios cálculos para garantizar que la estructura futura sea capaz de sostenerse por sí misma y cumpla con todos los estándares gubernamentales, como los Eurocódigos. El modelado y el análisis se realizan para varios arreglos estructurales y en múltiples condiciones de trabajo diferentes. La estabilidad de todas las partes principales de un puente se verifica lo más minuciosamente posible. Otras operaciones incluyen la comprobación de los tamaños de los miembros de arriostramiento, las conexiones de corte, los tamaños de los refuerzos y más.

Especificación

La última, pero no menos importante, parte de este proceso se llama especificación, que es un proceso de expresar requisitos adicionales para cada elemento estructural significativo, especialmente si hay alternativas disponibles para ese elemento específico. La falta de especificaciones es capaz de generar riesgos adicionales y mayores costos de proyecto en el futuro, mientras que la sobreabundancia de detalles seguramente hará que los costos generales sean mucho más altos que las estimaciones. Como tal, aquí se requiere un equilibrio, que a menudo se toma de los estándares de la industria: la especificación para obras de carreteras es un buen ejemplo de tales estándares.

Numerosas ventajas del acero como material de construcción para puentes
Ya hemos mencionado algunas de las ventajas más notables del acero en su conjunto, y cómo estas ventajas son beneficiosas para los puentes metálicos específicamente, como la resistencia y durabilidad general del acero, así como su previsibilidad y alto nivel de calidad debido a sus capacidades de prefabricación / producción en masa. Sin embargo, estas no son las únicas ventajas que tiene el acero en este contexto. Dado que hay tantas ventajas en primer lugar, sería más fácil para nosotros segregarlas en múltiples categorías en función de quién puede aprovechar un beneficio específico. Habrá tres categorías diferentes: beneficios para la sociedad, beneficios para el medio ambiente y beneficios para la economía.

Beneficios para la sociedad

• Dado que todos los componentes del puente metálico se pueden fabricar con alta precisión, el acero tiene la mayor libertad creativa en el campo, lo que permite variaciones de la estructura de acero que serían casi imposibles con otros tipos de materiales.
• La combinación de peso relativamente ligero y alta resistencia en su conjunto hace que los puentes metálicos sean perfectos para regiones con alta actividad sísmica, ya que las superestructuras más ligeras sufren fuerzas sísmicas reducidas en su conjunto.
• La ventaja de la alta resistencia es lo que hace que los puentes metálicos sean los más adecuados para aplicaciones de tránsito y ferrocarril: los puentes metálicos son excelentes para soportar cargas vivas ferroviarias, aunque tienden a ser varias veces más intensivas que las cargas vivas de carreteras.
• Hay algunos casos específicos en los que el uso de puentes metálicos es una cuestión de accesibilidad, ya que ningún otro material de puente es adecuado para esas condiciones.
• Los componentes de acero suelen ser mucho menos susceptibles a diversos peligros ambientales en comparación con otros materiales para la fabricación de puentes.
• La producción de acero en general es un proceso muy respetuoso con el medio ambiente, ya que el acero estructural es 100% reciclable y más del 90% de todo el acero producido en los EE. UU. ya se crea utilizando materiales reciclados en primer lugar. La chatarra de acero, los restos del proceso de prefabricación original, también se puede utilizar para producir más elementos de acero, y el acero también tiene una huella de carbono bastante baja en su conjunto, minimizando el impacto ambiental del acero como material de construcción.
• Los diferentes componentes y variaciones de puentes del acero lo convierten en el único tipo de material capaz de crear algunos de los puentes más grandes del mundo, con cruces que abarcan más de 500 pies y con la ayuda de elementos como cerchas, vigas de placa, puentes colgantes y más.
• El uso general de energía durante la construcción e incluso la entrega es menor en comparación con otros materiales debido al hecho de que el acero es menos pesado en comparación.
• Dado que la mayoría de los productos de acero se producen a través de alguna variación de fabricación, deja mucho menos espacio para que se generen desechos excesivos e incontrolados durante la fabricación en su conjunto

Beneficios para la Economía

• El acero no solo es un material principal para puentes más grandes, sino que también es un material extremadamente útil cuando se necesita un reemplazo rápido de un puente para algún tipo de paso elevado o un puente pequeño, lo que proporciona una solución rentable con respecto a puentes más pequeños con estructuras de puentes básicas. El acero también se puede usar para fijar puentes de vano corto existentes en un período de tiempo pequeño, lo que lo convierte en un proceso de construcción modular.
• Las estructuras de acero de todo tipo se pueden reforzar y reparar con relativa facilidad cuando sea necesario, y esto también se aplica a los puentes metálicos, incluido el refuerzo de partes específicas de un puente, así como el mantenimiento regular general para mejorar la vida útil general del puente.
• Los puentes metálicos no solo se pueden reparar, sino también modificar en cualquier momento en el futuro, lo que los hace increíblemente adaptables y excepcionalmente duraderos en términos de vida útil general.
• El hecho de que las estructuras de acero en general sean relativamente rápidas en términos de construcción reduce los tiempos de interrupción del negocio y/o del tráfico cuando se instalan estructuras de acero

Durabilidad en Puentes Metálicos

El tema de la durabilidad general que pueden tener los puentes metálicos es bastante importante, por lo que se explicará aquí con un poco más de detalle. Los puentes metálicos como tipo de estructura tienen una vida útil comprobada de más de un siglo, y uno de los ejemplos más notables de eso es el puente ferroviario Forth de Escocia. Este puente fue construido en 1890 y todavía está en condiciones de funcionamiento hasta el día de hoy.

Hay múltiples razones por las que el acero es tan útil cuando se trata de estructuras a largo plazo. Por ejemplo, este material en particular tiene una vida a la fatiga muy predecible, ya que la mayoría de sus elementos en una estructura son accesibles y visibles en todo momento. Esto hace que sea bastante fácil notar incluso los signos de deterioro más pequeños.

La corrosión, como uno de los mayores problemas del acero en su conjunto, es principalmente un efecto superficial que tarda mucho tiempo en comprometer la integridad estructural de un puente, y también es posible reparar o reemplazar piezas corruptas en la mayoría de los casos. Además, varios avances en la tecnología de recubrimiento llevaron a que la corrosión fuera un problema aún menor si se elige el recubrimiento correcto de antemano, ofreciendo hasta 30 años de mantenimiento sin mantenimiento.

Los puentes metálicos también pueden adaptarse a varios cambios de configuración de carreteras más fácilmente que otros tipos de materiales. Hay un ejemplo muy específico de eso: el puente colgante de Tamar ubicado en Plymouth. Solo admitía 3 carriles en su forma original, pero reemplazar la plataforma de hormigón por una de acero (con la adición de secciones en voladizo de acero) permitió ensanchar el puente hasta 5 carriles con muy poca diferencia de peso.
Como tal, estos son algunos de los factores más importantes que deben tenerse en cuenta para que un puente de metal dure el mayor tiempo posible:

• Preparación eficiente de la superficie
• Especificaciones correctas
• Comprensión de cómo funciona la corrosión
• Control de calidad e inspección periódica
• Diseño inteligente
• Recubrimientos de alta calidad
• Aplicación cuidadosa del recubrimiento

Tipos de Puentes Metálicos

Hay muchos tipos diferentes de puentes metálicos que se pueden crear debido a la versatilidad general y la resistencia del acero como material de construcción. A continuación se presentan algunos de los tipos de puentes metálicos más comunes

Puente de arco

Un tipo de puente de metal que se ha vuelto más popular en los últimos años, un puente de arco es un tipo de puente que ejerce el empuje horizontal sobre la base de un puente después de haber saltado hacia arriba desde esa misma base, con arcos de acero que actúan en compresión la mayor parte del tiempo. El tablero de este tipo de puente puede estar suspendido del arco, apoyado por puntales o asentado directamente sobre el arco.

Si el puente en cuestión está sobre algún tipo de vía fluvial, también hay un subtipo diferente de puente de arco llamado arco de cuerda de arco (o arco atado), que cuelga la cubierta del arco sobre él. Es una excelente opción para puentes que tienen suelo blando debajo de ellos, aunque las vías fluviales siguen siendo el mayor caso de uso para esta variación de puente.

Puente de vigas cajón

Las vigas cajón pueden ser tanto su tipo separado de puente como una parte de otro tipo de puente metálico que es algo compuesto. En esencia, una parte de «caja» de una viga de caja se crea mediante la conexión de dos almas de acero entre sí con bridas específicamente en la parte superior e inferior. De aquí proviene la caja: una celda cerrada con una rigidez torsional decente y otras capacidades.
Las variaciones de puentes más largas pueden usar dos cajas en lugar de una, conectando las dos con vigas transversales. Si la longitud de un puente es aún más larga, entonces se vuelve más viable crear formas personalizadas para vigas cajón, ya que los puentes en sí son suspendidos o atirantados en este punto, lo que significa que el rendimiento aerodinámico es lo más importante

Puente colgante

Hablando de puentes colgantes, es uno de esos casos en los que la estructura en sí parece increíblemente compleja, pero en realidad, tiene un proceso bastante simple detrás. Se forma una curva poco profunda colgando dos cables de acero entre dos soportes, con cables adicionales que conectan el suelo con dichos soportes. Los cables colgantes se utilizan para suspender la plataforma en el aire, y todos los cables absorben las fuerzas de tensión.

La existencia de un tablero distribuye la carga total y endurece la estructura en sí, evitando que todo el puente se tuerza o doble si se realiza correctamente. Es una excelente opción para puentes de gran envergadura debido a los costos relativamente bajos de toda la estructura.

Puente de celosía

El concepto de armazón de armadura es relativamente conocido en la industria: una gran red de triángulos de acero que a menudo se usan para sostener techos o puentes más simples. También es un tipo de puente por sí solo, debido a su capacidad para trabajar tanto en compresión como en tensión, y a menudo se usa en muchos otros tipos de puentes, como puentes de arco, puentes colgantes, etc.

Puente de viga

El concepto de puente de vigas también es relativamente simple: las losas de tablero de hormigón armado están sostenidas por vigas en I de acero. Tiene dos variaciones distintas: tableros de escalera, que solo usan dos vigas de acero para todo el puente, pero usan arriostramientos adicionales entre los soportes del puente, y vigas múltiples, que usan una multitud de vigas de acero para soportar todo el tablero.

Puente atirantado

El puente atirantado es una de las muchas estructuras que serían prácticamente imposibles sin la existencia del acero en su conjunto. Los cables de tensión se extienden a intervalos específicos a lo largo de las vigas principales, sosteniéndolas conectando vigas a un pilón o un mástil de acero. La torre en sí puede ser una columna regular, un marco en H o un marco en A, todos actuando en compresión. Dado que el acero es tan fuerte como material, incluso es posible crear dos filas de soportes para un puente, si es necesario, aunque el uso de una línea de soportes sigue siendo una opción viable.

Diferentes componentes y elementos que pueden formar parte de un puente metálico

Dado que hay tantas variaciones de puentes metálicos y un sinnúmero de circunstancias en las que cada puente diferente tendría que construirse, es natural que los puentes metálicos consten de una multitud de elementos diferentes que están conectados entre sí, al igual que casi cualquier otra estructura hecha de acero.

Vale la pena señalar que algunos de estos elementos y componentes de puentes metálicos se utilizan en casi cualquier tipo de puente, mientras que otros serían extremadamente específicos para cada caso y solo se pueden usar en una breve lista de situaciones

Cimentación

Una parte integral de básicamente cualquier puente de metal regular, la base es prácticamente todas las partes de un puente que se coloca debajo del nivel del suelo. Puede haber varios tipos de cimentaciones diferentes según las circunstancias y el tipo de puente, siendo las cimentaciones de pilotes, las cimentaciones de pozos y las cimentaciones abiertas algunos de los ejemplos más importantes.

Tapa

Algunos de los tipos de cimentación tendrían que tener un elemento adicional agregado llamado tapa (los cimientos de pozos y pilotes son buenos ejemplos de estos casos). El objetivo principal de una tapa es servir como conexión entre los componentes del puente que se colocan por encima del nivel del suelo, transmitiendo cargas de peso desde los elementos más altos de un puente metálico a los más bajos, como la cimentación antes mencionada.

Cubierta

Un tablero es una de las partes principales de un puente: su superficie. Una plataforma no solo se puede hacer con acero, sino que también puede haber otros materiales en su lugar, como madera, hormigón o rejilla abierta. Una plataforma es donde va toda la cubierta especializada, ya sea concreto asfáltico para automóviles / peatones, lecho de ferrocarril para trenes y más.

Un tablero puede actuar como uno de los elementos estructurales principales en algunos casos específicos, principalmente con puentes atirantados y de arco atado, soportando todo el tramo del puente al transportar fuerzas de compresión o tracción. Un tablero de hormigón también puede ser soportado por otros elementos: estos elementos de soporte pueden ser vigas, vigas en I, etc

Claros

El mayor caso de uso de las vigas es actuar como estructuras de soporte, pero solo se pueden usar para puentes más pequeños con longitudes de puente relativamente cortas, ya que las vigas no tienen soportes incorporados para sí mismas. El principal factor decisivo para cualquier puente de vigas es cuál es la distancia entre los elementos de soporte, ya que esta distancia tiene una correlación directa con la resistencia de este puente.

Como tal, algunos de los ejemplos más comunes de puentes de vigas suelen durar unos 80 metros o menos. Sin embargo, esto no significa que sea imposible construir puentes más largos con esta estructura, solo significa que tendría que usar múltiples segmentos de puente de vigas que están conectados entre sí (el término «vano continuo» se usa para este tipo de puentes)

Viga

Una viga es una variación de una viga de acero normal que comparte muchas de sus características, pero también hay diferencias. Por ejemplo, una viga puede estar hecha tanto de acero como de hormigón (y la variación de una viga que utiliza una viga de acero encerrada en una caja de hormigón es increíblemente popular en áreas rurales que tienen muchos entornos amigables con la corrosión). Sin embargo, muchas de las similitudes siguen ahí, y la resistencia de la viga se decide principalmente utilizando parámetros como la altura de la viga, el tipo de material, el peso de la viga, la forma de la viga, etc.

Cojinete

Un elemento específico que proporciona una superficie de descanso entre el tablero del puente y los pilares de ese puente se llama apoyo. El objetivo principal de un rodamiento es reducir la tensión potencial al permitir un movimiento controlado de toda la estructura del puente. Puede haber muchas fuentes de tensión con las que un rodamiento puede ayudar, ya sea tensión interna (fatiga, contracción, contracción, etc.) o externa (actividad sísmica, asentamiento del suelo, expansión térmica, etc.).

Muelle

Un pilar es un elemento que tiene un solo propósito: transferir cargas horizontales o verticales desde la superestructura hasta los cimientos y debajo. Los muelles también se utilizan para adaptarse a varios otros factores, ya sea agua, viento o colisión de vehículos. Los pilares se pueden hacer en varias formas diferentes, que van desde relativamente simples hasta bastante complejas y compuestas.

Subestructura y superestructura

Una subestructura es una parte de un puente de metal que consiste en todo lo que está por debajo del nivel de los cojinetes, incluidos los bloques de base, los pilares, las zapatas, los ejes, la coronación y muchos otros elementos que se encuentran en la parte inferior de un puente.

Alternativamente, una superestructura es la parte superior de un puente, cada parte de la estructura que recibe la carga viva directa del propio puente. Es la estructura de soporte principal del puente en su conjunto, y utiliza sus propios elementos de soporte para transferir la carga a los elementos metálicos inferiores del puente.

Conexión de percha/clavija

Es una combinación relativamente simple de un colgador y dos pasadores, y su propósito principal es usarse en configuraciones específicas de un puente, principalmente con un tramo suspendido o un tramo articulado. La ubicación de estos elementos está sujeta a debate para cada caso de uso específico.

Conexión soldada

Una conexión soldada es una construcción rígida de una sola pieza que utiliza dos partes diferentes fusionadas en una parte unida. Las conexiones soldadas existen para conectar elementos o para hacer conexiones estructurales en su conjunto. También existe una diferencia entre las soldaduras temporales más pequeñas y los procesos de soldadura adecuados, ya que las soldaduras temporales (soldaduras por puntos) solo existen durante un período de tiempo específico y no tienen la fuerza de una conexión completamente soldada.

Conexión de empalme

Al igual que con el caso de uso de puentes de vigas mencionado anteriormente o con muchos otros casos de uso, puede surgir la necesidad de crear varios tramos de puentes que estén conectados entre sí. Este tipo de conexiones se denominan «conexión de empalme» y se pueden realizar tanto en el campo durante el proceso de construcción como en el taller de fabricación antes. Las conexiones de empalme se pueden crear con soldaduras, remaches o pernos, siendo las conexiones de empalme atornilladas las más comunes.

Ancla

En un sentido tradicional, un ancla es lo que sostiene una especie de objeto flotante en un solo lugar, ya sea en el suelo o conectado a otro objeto físico. En el contexto de los puentes metálicos, un anclaje es una serie de voladizos que se utilizan para mantener partes específicas del puente en su lugar.

Cable de suspensión

Un cable de suspensión es lo que conecta un anclaje a la parte del puente, transmitiendo parte de la carga total a la tensión a través de estos cables. Puede haber varios tipos diferentes de cables de suspensión, como cables principales, cables de suspensión verticales, etc. Los cables de suspensión también pueden soportar uno o dos tramos de puente con la ayuda de pilares de soporte (para puentes relacionados con carreteras o puentes que pasan por cañones).

Ejemplos de puentes metálicos

Por supuesto, esta es una gran cantidad de información para asimilar a la vez, especialmente porque el tema en sí no es tan fácil para empezar. Para facilitar la comprensión de algunos de los componentes más básicos de los puentes metálicos, hemos recopilado una serie de ejemplos que muestran diferentes casos de uso de puentes y diferentes estructuras de acero que se utilizan para crear un puente metálico.

Aquí puede ver un excelente ejemplo de por qué los puentes metálicos son tan valorados y populares en todo el mundo: una estructura como esta sería mucho más difícil de recrear sin todas las ventajas del acero como material. Aquí puede ver que la superestructura del puente depende mucho de una multitud de cables de suspensión, y la subestructura está llena de conexiones soldadas, conexiones de empalme, cojinetes, etc. Tampoco podemos olvidarnos de una enorme plataforma hecha específicamente para vehículos automotrices y su peso respectivo en mente.

No todos los puentes metálicos tienen que ser estas estructuras complejas con cientos de metros de luz, también hay muchos casos de uso para puentes más pequeños, y este es un ejemplo de ello. Su superestructura es mucho menos compleja que el ejemplo anterior, y esta se basa principalmente en vigas de acero interconectadas y otros elementos para crear una especie de estructura de acero rígida. La subestructura consiste principalmente en un conjunto de vigas sin estructuras de soporte en el medio del puente.

Además, no todos los puentes metálicos se construyen con fines automotrices o peatonales, también es bastante común crear puentes con el único propósito de crear un camino para los trenes sobre algún tipo de obstáculo, en este ejemplo, ese obstáculo es un cuerpo de agua. Este puente utiliza una estructura relativamente común en general, con un gran matiz: toda la cubierta del puente se reemplaza con una plataforma de ferrocarril, lo que hace que este puente sea adecuado solo para trenes. En esta imagen, también podemos ver una superestructura similar al ejemplo anterior: un marco de acero que se utiliza para distribuir la carga del transporte y transferirla a las partes inferiores del puente.

Los puentes metálicos pueden ser bastante versátiles cuando es necesario, ofreciendo paso a múltiples tipos de personas o transporte al mismo tiempo. En este ejemplo en particular, podemos ver que un puente regular relacionado con la automoción con asfalto como material principal también ha creado un camino separado para que lo usen los peatones, y el escritorio de esta parte está hecho de madera, no de acero ni de hormigón. Este tipo de versatilidad es ideal para puentes en todo tipo de ubicaciones activas y populares, combinando múltiples tipos de caminos en un solo lugar.

Nuestro último ejemplo es otro escaparate del acero como material para la construcción de puentes: una estructura masiva de varios cientos de metros en un tramo que ofrece varios carriles de espacio para el cruce de vehículos junto con una pasarela para peatones. Se puede ver que esta estructura depende mucho de los cojinetes y cables de suspensión para distribuir su carga, y también hay anclajes, pilares, conexiones soldadas y otros elementos metálicos del puente que ayudan a que este puente funcione al máximo en todo momento

Conclusión

Hay muchas razones por las que los puentes metálicos se usan tan comúnmente en todo el planeta, y la razón principal es una gran lista de ventajas que tiene el acero como material. El acero se puede personalizar, puede soportar cargas masivas, se puede usar para crear puentes extremadamente largos, la velocidad general de construcción es mayor que la de la competencia, etc.

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