Aspectos del diseño y la construcción de Puentes de acero

Las ventajas de la construcción con acero, en ciertos casos, convierten a este tipo de estructuras en la solución más adecuada para puentes de caminos y carreteras. Factores como la velocidad de construcción, facilidad de transporte, adaptabilidad a cambios de diseño, entre otros, son algunas de las virtudes de un puente de acero.

Sin embargo, existen características inherentes a este tipo de estructuras que se deben considerar al momento de diseñarlas. Los retos que enfrentan los ingenieros estructurales al diseñar un puente de acero empiezan desde la correcta selección del tipo de material a ser usado en el puente y pasan por aspectos como el control de las de flexiones en las vigas durante la construcción, o el control de una posible falla prematura por fatiga cuando el puente esta en servicio.

Ventajosamente, en la actualidad existen métodos y normativas que deben ser aplicados al diseño, de tal manera que los aspectos mencionados anteriormente no compliquen el desempeño de la estructura durante su construcción o el tiempo de servicio. En este artículo se abordarán dos de estos temas: el uso de materiales adecuados para puentes de acero y el control de la geometría de la estructura durante la fundición de la losa.

En el caso del material a usarse en la fabricación de puentes, es primordial considerar las condiciones climáticas hostiles a las cuales están sometidas estas estructuras. Es común ver casos en los que la corrosión ha deteriorado la estructura a un punto en el cual ésta se vuelve intransitable. Debido a este limitante, desde mediados del siglo anterior se han desarrollado aceros con aleaciones que mitigan los efectos de la corrosión, aumentando la durabilidad de la estructura. En la actualidad, aceros como el ASTM A588, A242, y A709 son materiales con notable resistencia a los agentes ambientales y que requieren un mínimo mantenimiento.

  A diferencia de los aceros convencionales, mediante un proceso químico que incluye el mojado y secado continuo que ocurre cuando están expuestos a la intemperie, este tipo de aceros forman una capa protectora conocida como patina, que impide el paso de la corrosión. Además de esta ventaja, la patina que se forma en la superficie del material adquiere un color café que aporta a la estética del puente y por lo tanto, no requiere ser pintado. A pesar de las virtudes de estos aceros, existen condiciones que exigen una protección adicional para impedir la corrosión.

Puente María Pía en Portugal.

Gran Puente de Akashi Kaikyō.

Otro aspecto que no siempre resulta evidente y que debe ser considerado en el diseño, es el control de las deformaciones horizontales y las deformaciones verticales (o deflexión) durante la construcción del puente. Antes de que la losa de concreto se solidifique, la integridad estructural del puente depende solamente de la resistencia de la estructura de acero. En esta etapa, es importante calcular con precisión la deflexión vertical de las vigas, ya que caso contrario se pueden ocasionar inconvenientes durante la fundición de la losa.

La Figura 1 muestra las deflexiones obtenidas para una viga intermedia de un puente recto de tres claros con soportes inclinados. Las cargas consideradas en el análisis corresponden al peso propio de la estructura de acero más el peso del concreto no fraguado. Debido a que en esta instancia el concreto no aporta a la resistencia del sistema, se dice que la estructura es no-compuesta.

La gráfica muestra las predicciones obtenidas usando un modelo tridimensional de elementos finitos (MEF 3D) y un modelo unidimensional basado en el concepto de línea-viga (1D). El primero es un análisis refinado donde todos los miembros estructurales se incluyen en el modelo, en tanto que en el modelo unidimensional, cada viga es analizada de manera individual, considerando las cargas en función de áreas tributarias. El modelo 1D ignora la distribución de cargas que ocurren en el puente a través de los diafragmas. Como se muestra en la figura, las diferencias son considerables.

Figura 1. Deflexiones verticales en la Viga V5

   

Estos resultados demuestran que es importante considerar el método de análisis utilizado para predecir las deflexiones. Por ejemplo, si los resultados del análisis unidimensional se utilizan para establecer diagramas de contra-flecha o “camber”, durante la fundición de la losa la estructura se deformara menos de lo previsto. Ésto puede complicar el control del espesor y la uniformidad de la losa, o resultar en distancias inadecuadas entre los conectores de cortante y la superficie de la losa. La Figura 2 muestra un ejemplo de este tipo de problema. Como se muestra en la fotografía, las vigas se han desplazado horizontalmente más de lo previsto, por lo que en este caso, será difícil lograr un espesor uniforme de losa, cuando ésta sea fundida.

Como se discute en el presente artículo, el diseño de un puente de acero ti ene varios aspectos que deben ser considerados para asegurar su funcionalidad desde su construcción hasta cuando la estructura se encuentra en servicio. Además de los dos temas tratados, existen otros aspectos que pueden ser pasados por alto y que pueden afectar el comportamiento de la estructura.

Factores como el fisuramiento prematuro de la losa, la falla de los miembros estructurales por fatiga, el deterioro de los apoyos del puente por gradientes de temperatura, entre otros, son temas que deben ser analizados en las etapas iniciales del diseño.

Más allá del diseño tradicional basado en esfuerzos y deflexiones de la estructura terminada (secciones compuestas), es necesario que el ingeniero evalúe todos los aspectos que pueden influir el desempeño del puente de acero durante las etapas de fabricación, construcción y puesta en servicio.

   

Publicado por Sísmica Magazine