1. PRÓLOGO
Ya hace tiempo me fascina el comportamiento estructural de los arcos, el elemento estructural que “nunca duerme”. Me planteé el uso de dicho elemento estructural para la ejecución de un puente sobre el río Júcar a su paso por Casas de Benítez por motivos docentes. En este caso, debido a lo orografía del terreno y el entorno natural en el que me encontraba encajaba perfectamente un puente tipo bowstring. Durante el diseño descubrí la problemática de los puentes tipo arco y las soluciones más adecuadas para reducir dichos problemas.
En esta entrada de blog me gustaría compartir la experiencia entrando en detalle sobre las ventajas e inconvenientes del diseño de un puente tipo arco y en especial los puentes tipo bowstring. Entraré en detalle en la solución de péndolas tipo network, solución que lleva en el mundo de la ingeniería civil ya muchos años.
Debo destacar un estudio realizado por D. Francisco Millanes Mato, D. Miguel Ortega Cornejo y D. Antonio Carnerero de la empresa IDEAM, S.A. para la revista Hormigón y Acero (“Proyecto y ejecución de dos arcos mixtos con elementos tubulares y sistema de péndolas tipo ˝network˝: Puentes Arco de Deba y Palma del Río”), el cual me ha servido de inspiración para el diseño del puente sobre el río Júcar.
2. COMPORTAMIENTO DE UN PUENTE TIPO BOWSTRING
Para entender mejor las ventajas del sistema network primero hay que recordar el comportamiento estructural que se busca en los puentes tipo arco, y en especial en los puentes bowstring.
En estos puentes se trata de salvar una luz mediante el uso del elemento estructural arco. El arco tendrá forma antifunicular de manera que ante una carga uniforme trabaje únicamente a compresión. La carga del tablero es transmitida al arco mediante unas péndolas que cuelgan del arco hasta el mismo. El arco trabaja a compresión. En sus extremos las componentes verticales del arco son transmitidas a los apoyos y las componentes horizontales se transmiten al tirante horizontal ubicado entre los dos apoyos, tal y como se puede apreciar en la siguiente figura.
Al resistir el tirante las componentes horizontales no se transmiten fuerzas horizontales al terreno, lo cual puede ser muy importante en casos donde el terreno no pueda soportar grandes cargas.
El problema principal que surge en los puentes tipo arco es la aparición de momentos flectores en el arco debido a que en realidad las cargas transmitidas al arco no son uniformes (bien sea el tren de cargas de la instrucción de carreteras o de ferrocarriles a lo largo del tablero).
Este efecto puede apreciarse en la siguiente figura, los esfuerzos flectores que aparecen en el arco por las cargas asimétricas no son compatibles con el comportamiento esperado de un elemento estructural tipo arco.
3. PUENTE TIPO BOWSTRING CON PÉNDOLAS TIPO NETWORK
Los puentes bowstring con péndolas tipo network permiten una distribución más homogénea de las cargas al arco debido a la inclinación de las péndolas y a la poca separación de las mismas, tal y como se aprecia en siguiente figura. Es por ello por lo que tanto el arco como el tirante trabajan en todo momento prácticamente a esfuerzo axil, siendo el resto de esfuerzos casi despreciables. Esto permite la optimización de la sección del arco y el tirante.
En la siguiente figura se plasma el comportamiento estructural del sistema de péndolas network. La deformación a flexión en el tirante se reduce en gran medida debido a la poca separación entre las péndolas. Además esto permite que la sección de las péndolas, que trabajan únicamente a tracción, sea muy reducida.
4. SISTEMAS DE PÉNDOLAS NETWORK
Todas las ventajas del sistemas de péndolas network tienen un precio. El sistema constructivo se torna algo más complejo, ya que hay que diseñar detalles constructivos específicos del sistema cruzado de cables. Existen distintas soluciones para el anclaje y cruce de los cables o barras del sistema network. A continuación detallaré el empleado en algunas obras y el que utilicé en mi caso.
Es muy importante el diseño de los siguientes detalles:
- Anclaje de las péndolas tanto en el arco como en el elemento tirante.
- Detalle de cruce de péndolas inclinadas (barras/cables). El sistema a utilizar para el cruce de las péndolas determinará la posible aparición de excentricidades entre las directrices de las péndolas y el arco o tirante.
- Las péndolas deberán tener un sistema de tensado para su correcto funcionamiento. Se debe calcular la tensión que debe aplicarse a cada péndola durante la ejecución de la estructura para que el conjunto arco-tirante-péndolas trabaje correctamente y según los criterios tomados en consideración durante el cálculo de la estructura.
- Es por tanto muy importante definir correctamente el proceso constructivo de la estructura.
En el siguiente croquis se muestra un sistema de péndolas network el cual he utilizado en mi estructura:
Como se puede apreciar, en este caso las péndolas están formadas por barras lisas tipo diwidag con roscado en extremos. Los elementos que forman las péndolas de un extremo a otro son:
- Horquilla roscada para anclaje a tirante.
- Manquito tensor abierto en su tramo central para el correcto tensado de la péndola.
- Ojal de cruce de péndola. La péndola que es cruzada dispone de un disco de goma que se introduce por el ojal para evitar el dañado de las péndolas. Este sistema permite el cruce de péndolas sin excentricidades entre las directrices de las barras. En la siguiente figura se muestra detalle del cruce.
- Horquilla roscada para anclaje a arco.
Existen otros tipos de cruce de péndolas entre las que nos podemos encontrar la siguiente:
En este caso sí que se producen excentricidades entre las directrices de las péndolas y el tirante o arco que si que habrá que tener en cuenta en el comportamiento estructural.
5. CONCLUSIÓN
Como conclusión podríamos decir que el sistema de péndolas tipo network ha sido un gran avance en diseño estructural para la optimización de los elementos arco y tirante en puentes tipo network.
El hecho de utilizar barras inclinadas y que trabajen únicamente a tracción ha permitido, además de la reducción de momentos flectores tanto en arco como en tirante, la posibilidad de utilización de cables o barras de pretensado con gran resistencia a tracción y secciones reducidas que dan un aspecto más limpio y esbelto al conjunto.
Jesús Troyano García
www.ingenieriayestructuras.com
