Acerca de Puentes y Túneles

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 69)

Ignacio Fernández Marcos, físico Automática Industrial; ingeniero técnico industrial mecánico; Máster Gestión Pymes; experto en MEF de Estructuras; especialista en Geotecnia y Cimentación MEF; Máster Hormigón Armado de Edificios, Máster en Cosmología Física.

Puentes

El estudio resistente de un puente mediante el cálculo plástico es más interesante que mediante el cálculo elástico. El puente resiste más que lo indicado en el cálculo elástico. Según el cálculo plástico se forman unas rótulas plásticas antes de que se produzca el colapso de la estructura.

Tipos de puentes y tableros

Una clasificación de los tipos de puentes teniendo en cuenta su aspecto final, es decir su forma estructural es la siguiente:

• De viga
• De pórtico
• De arco
• Reticulados. De celosía o Howe.
• Colgantes. A base de cables metálicos rectilíneos. Cable es una pieza que trabaja a tracción.
• Atirantados. Sobre una pila o varias pilas en los que se enganchan los tirantes que sostienen el tablero del puente. Tirante una pieza que puede trabajar a tracción o compresión.
• Colgante sobre tirantes.Como combinación de los dos anteriores.
• Curvo: Formado por vigas curvas.
• En pendiente

Los tableros de los puentes pueden ser de:

• Hormigón
• Chapa metálica
• Vigas de cajón

Las vigas de cajón constituyen una buena solución cuando los puentes se construyen en curva.

El tablero de chapa va situado sobre vigas. Sobre el tablero se sitúa la superficie de rodadura, de asfalto o de hormigón.

Los puentes de tablero metálico son habitualmente del tipo ortrópico. Se utilizan en puentes de grandes luces. Su peso es menor al de los puentes de hormigón.

Puente en Sanchinarro (Madrid) de Dragados

Estabilidad de los puentes

• Vuelco: Las uniones de las vigas transversales de un puente pueden sufrir este fenómeno que se resuelve empleando cartelas de refuerzo en dichas uniones.
• Abolladuras: Con el fin de evitar las abolladuras de las vigas debidas a tensiones normales y esfuerzos cortantes se utilizan rigidizadores verticales y horizontales colocados sobre las propias vigas.
• Fallos en las almas de las vigas: Para solucionar este problema se emplean vigas armadas de sección variable.
• Cargas dinámicas: Sísmicas, explosivos, debidas a aceleraciones de los móviles que soportará automóviles, trenes de alta velocidad.
• Empujes por frenado y arranque de trenes.
• Efecto del viento: Acción directa a barlovento del puente unida a la succión en sotavento.
• Temperaturas bajas: En este caso se puede producir la rotura frágil de la estructura. El efecto es similar a la rotura en frío por cortadura de las estructuras móviles (por ejemplo, punto de enganche del remolque sobre la cabeza tractora).
• Sobrecarga debida a la nieve.
• Asientos en las pilas del puente.
• Pandeo en las vigas de celosía: Se produce en las vigas horizontales y verticales de la estructura, no sobre las diagonales.
• Pandeo sobre los arcos de un puente: Se utiliza la expresión para calcular la longitud de pandeo (R. Argüelles),D’:

D’ = 0,5.D.(1+6,15.d2)exp1/2

siendo d = m/D

donde m es la flecha del arco del puente y

D la luz del arco del puente

El puente colapsa a través de las rótulas plásticas ya citadas así como por la ruina de los rigidizadores de las vigas.

Arco de puente

• Esfuerzo cortante: En las vigas doble T el alma resiste el cortante, no así las alas. Según el criterio de von Mises de plasticidad se verifica que

P = Dp/3exp1/3 donde

P es el esfuerzo cortante límite que produce deformaciones plásticas y

Dp es el esfuerzo cortante en el que el material del alma de la viga plastifica con ese valor en las dos direcciones perpendiculares, según los ejes principales de inercia del alma de la viga.

• Nudo formado por cartelas: Son elementos que proporcionan rigidez a la estructura y deben contener el punto de intersección de las vigas concurrentes.
• Tirantes del puente: Se pueden considerar como barras sometidas o a esfuerzos de tracción o de compresión.
• Pretensado de tirantes: En ocasiones se utiliza el pretensado para obtener efectos contrarios a las deformaciones que se produzcan.
• Mallas dinámicas en túneles y en laderas rocosas:

Se emplean protegiendo el revestimiento de las paredes de un túnel y en las laderas rocosas, en zonas sometidas a estallido de rocas y en las que se puede producir el colapso de la estructura de roca.

El material utilizado suele ser hierro galvanizado resistente a la humedad, es decir a la corrosión. También se utiliza malla electrosoldada constituida por rombos.

La instalación debe efectuarse con máquinas especiales y no manualmente para garantizar que la malla va a quedarse con la tensión adecuada y así aquella va a proteger correctamente el revestimiento del túnel.

Cable radiante en túneles

En los túneles no hay normalmente cobertura de telefonía móvil. En dichos lugares tanto en su construcción como en la explotación para subsanar el problema citado, se puede utilizar cable radiante.

El cable se sitúa mediante fijación en uno de los costados del túnel a una altura comprendida entre 0,70 y 1 m del punto más alto. Es un cable RF, con un revestimiento de intemperie.

El cable actúa a modo de antena paralela a la dirección del túnel el cual emite y recibe la señal de móviles GSM durante la explotación de aquel o de trabajo durante la construcción de la obra.

La señal que conduce el cable puede atenuarse en algún punto de la longitud del túnel. Por esta razón se emplean amplificadores de señal.

Puente en curva sobre la AP-I

Bibliografía

• Manual de túneles y obras subterráneas, Editor Carlos López Jimeno, Madrid 1997, Dr. Ingeniero de Minas, Catedrático de Proyectos ETSIM Madrid
• Santiago Calatrava: The Bridges, Alexander Tzoris y Rebecca Caso Donadei, Random House, Mondadori, S. A. Barcelona 2007
• La estructura metálica hoy (Teoría y Práctica), Tomo I Volumen II, Ramón Argüelles Álvarez, Librería Técnica Bellisco 2ª Edición 1975
• Cálculo de Estructuras, José Ramón González de Cangas, Avelino Samartín Quiroga, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Sección de Publicaciones, Colección Escuelas 1ª Edición Madrid 1999
• Manual de diseño de estructuras de acero, 2ª Edición McGraw-Hill, Roger L. Brockenbrough, Frederick S. Merritt, Santafé de Bogotá, Abril 1997
• Estructuras de acero. Cálculo. Ramón Argüelles Álvarez, Ramón Argúelles Bustillo, Francisco Arriaga Martitegui, José María Argüelles Bustillo, José Ramón Atienza Reales, 2ª Edición Ampliada y Actualizada, Ed. Bellisco, 2005 Madrid
• Ciencia de los Materiales. Teoría, Ensayos y Tratamientos, P. Coca Rebolledo, J. Rosique Jiménez, Editorial Cosmos, 7ª Edición, Valencia 1976
• Leyes de comportamiento de materiales. Curso modular de teoría y aplicación práctica del MEF y simulación, UNED ETSII, E. Alarcón, R. Perera ETSII Universidad Politécnica, 2001 ED. Fundación Universidad – Empresa
• Manual del Ingeniero Hütte, Ediciones Gustavo Gili S. A., Buenos Aires, 2ª Edición 1948