Materiales de Construcción: Tuberías.



La  tubería  es  un  medio  de  transporte  de  agua  de  un  determinado  punto  a  otro.  Los esfuerzos que debe resistir la tubería son producidos por la presión estática del agua, por fuerzas centrífugas causadas por los cambios en la dirección del flujo, cargas externas cambios de temperatura y cambios repentinos en velocidad (golpe de ariete).

Proyecto Bombeo: Valor Actual Neto(VAN).



Es un indicador eficaz para medir el valor actualizado de un proyecto especifico y realizar la clasificación o selección de la alternativa óptima de inversión de varios proyectos mutuamente excluyentes. Este indicador representa el valor actualizado o presente del proyecto en su vida útil de operación, cuyos resultados permiten tomar la decisión respecto a su aceptación o rechazo a base de los siguientes coeficientes o magnitudes:

i)          VAN > 0         (es  conveniente  realizar  la  inversión;  es  decir,  que  después  de cumplir  con  las  obligaciones  incurridas  por  el  proyecto,  queda  un  saldo favorable para el inversionista, por tanto, se acepta el   estudio y se procede con la ejecución  inmediata.)
ii)         VAN = 0         (desde el punto de vista de la rentabilidad es indiferente llevar a cabo el proyecto.)
iii)        VAN < 0         (no debe invertirse, porque los ingresos futuros no cubrirían el costo del capital.)

Definición del VAN

El valor actual neto (VAN), conocido como valor presente neto (VPN), se define como la diferencia  de  la sumatoria  de  los  beneficios  y  la  sumatoria  de  los  costos  que  son actualizados a una tasa de interés fija, menos la inversión en el momento cero. Es la suma algebraica de los valores actualizados del flujo neto de fondos del proyecto en el horizonte de planeamiento, menos la inversión en el año base.

Representación Matemática del VAN

Consiste en actualizar el flujo de beneficios netos, para cuyo fin se multiplican por el factor de descuento correspondiente, siendo necesario contar con datos del flujo de caja proyectado para simplificar la operación de cálculo y utilizar la siguiente fórmula:

Expresión Matemática:








Especificaciones y cargas para puentes sostenidos por cables.



Las «Standard Specifícations for Highway Bridges» de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), cubren los puentes ordinarios, generalmente con luces menores de 150 metros. Las especificaciones de la American Railway Engineering Associa­tion (ÁREA) para puentes ferroviarios se aplican a luces que no excedan 122 metros. No existen especificaciones estándar en los Estados Unidos para luces más largas que éstas. Sin embar­go, las especificaciones de la AASHTO y de la ÁREA son apropiadas para el diseño de áreas locales, como el sistema de piso, de una estructura de gran luz. Un conjunto básicamente nuevo de especificaciones debe escribirse para cada puente de luz larga para incorporar las características especiales debidas a las condiciones del sitio, luces largas, a veces grandes capacidades de tráfico. flexibilidad, condiciones aerodinámicas y sísmicas, entramados especiales y materiales y procesos de construcción sofisticados.

Por lo general, el análisis estructural se aplica a las siguientes condiciones de carga: carga muer­ta, carga viva, impacto, tracción y frenado, cambios de temperatura, desplazamiento de los apoyos (incluyendo asentamientos), viento (tanto los efectos estáticos como los dinámicos), efectos sísmi­cos y combinaciones de éstos.

Diseño preliminar de los puentes atirantados.



En general, la altura de la torre en un puente atirantado es aproximadamente de 1/6 a 1/8 de la luz principal. La altura de la viga atirantada varía en un intervalo de 1/60 a 1/80 de la luz principal y por lo general está entre 2,4 y 4,3 metros con promedio de 3,3 metros. Las deflexiones por carga viva casi siempre varían entre 1/400 y 1/500 de la luz.

Para conseguir simetría de los cables en las torres, la relación entre la luz lateral y la principal debe ser aproximadamente 3:7 cuando se usan tres cables a cada lado de la torre, y aproximada­mente 2:5 cuando se usan dos cables. Un balance apropiado entre la longitud de las luces laterales y la principal debe establecerse si se quiere evitar el levantamiento en los estribos. De lo contrario, deben suministrarse en los estribos tirantes de anclaje movibles (de tipo pendular).

Se requieren vigas cajón anchas como vigas atirantadas en los sistemas de un solo plano, para resistir la torsión de las cargas excéntricas. Las vigas cajón, aun las angostas, son también aconsejables para sistemas de doble plano para permitir que las conexiones de los cables sean hechas sin excentri­cidad. Sin embargo, pueden usarse vigas de una sola alma si se arriostran en forma apropiada.

Ya que los cálculos por la teoría elástica son relativamente simples de programar en un compu­tador, puede hacerse un cálculo formal del diseño preliminar después de que la estructura general y sus componentes han sido dimensionadas.

Puentes Atirantados: Configuraciones de las tirantas.


Transversalmente al eje longitudinal del puente, las tirantas pueden arreglarse en uno o dos planos con respecto a la línea central longitudinal del puente, y pueden estar en planos verticales o inclina­dos, ver figura  7.19. Los sistemas de un solo plano, localizados a lo largo de la línea central longitu­dinal de la estructura (figura 7.19.a) , requieren por lo general una viga cajón principal atirantada torsionalmente rígida para resistir las tuerzas de torsión desarrolladas por las cargas no balancea­das. 

El sistema vertical desplazado de manera lateral (figura 7.19.b) , se ha utilizado para un puente peatonal. El arreglo en V (figura 7.19.e) , ha sido utilizado para puentes atirantados que soportan tuberías. Esta variedad de la geometría transversal de las tirantas lleva a numerosas alternativas de arreglos de las torres (figura 7.20).

Figura 7.19  Secciones transversales de puentes atirantados, que muestran variaciones en los arreglos de las tiran­tas. (a) Plano único vertical, (b) Vertical desplazado lateralmente, (c) Plano vertical doble, (d) Doble plano inclinado. (e) Doble plano en V

Figura 7.20  Formas de torres usadas en puentes atirantados, (a) Pórtico tipo portal con miembro transversal supe­rior. (b) Torres empotradas en la pila y sin miembro transversal superior, (c) Torres fijas a las vigas principales y sin miembro transversal superior, (d) Torre en el eje, fija a la superestructura, (e) Torre en forma de A. (f) Torre desplazada lateralmente, empotrada en la pila. {g) Torre en forma de diamante.

Existen cuatro configuraciones básicas de las tirantas en alzada figura 7.26: radiales, en arpa. en abanico y en estrella. En el sistema radial, todas las tirantas convergen en la parte supe­rior de la torre. En el sistema en arpa, las tirantas son paralelas entre sí y van distribuidas a lo alto de la torre. La configuración en abanico es un híbrido de las configuraciones radiales y en arpa. El sistema en estrella fue utilizado para el puente Norderelbe en Alemania, principalmente por su apariencia estética. La variedad de configuraciones en alzada conduce a una amplia variación de los arreglos geométricos, como se indica en la figura 7.21.

Figura 7.21   Configuraciones de tirantas para los puentes atirantados.

El número de tirantas usadas para el soporte del tablero varía desde una sola a cada lado de la torre hasta un arreglo de múltiples tirantas como se ilustra en las figuras 7.16 a la figura 7.18. El uso de unas pocas tirantas lleva a un gran espaciamiento entre los puntos de conexión a lo largo de la viga principal. Esto requiere una viga atirantada relativamente alta y grandes concentraciones de fuer­za de las tirantas aplicadas a la viga con los consiguientes detalles complicados de conexión. Un gran número de tirantas tiene la ventaja de reducir la altura de la viga principal, tirantas de menor diámetro, detalles más simples de conexión y relativa facilidad de montaje por el método de vola­dizos. Sin embargo, el número de terminales de anclaje de las tirantas aumenta y hay más tirantas para instalar.

Arreglos de la luz en puentes atirantados.



Unos pocos ejemplos de puentes atirantados de dos luces pueden observarse en la figura 7.16. En los puentes atirantados asimétricos de dos luces, la luz mayor está generalmente en el intervalo de 60 a 70% de la longitud total de las luces atirantadas. Como excepciones están los puentes Batman (figura 7.16.g) y el de Bratislava (figura 7.16.h), en donde las luces mayores son 80% de la longitud total de las luces atirantadas. 

La razón para la mayor longitud de la luz principal es que estos puentes tienen una sola tiranta extrema anclada al estribo en lugar de varias tirantas extremas distribuidas a lo largo de la luz lateral. Los puentes atirantados de tres luces figura 7.17, por lo general tienen una luz central con una longitud del orden de 55% de la longitud total de las luces atirantadas. El resto casi siempre se divide por igual entre las dos luces de anclaje.

 
Figura 7.16.   Ejemplos de puentes atirantados de dos luces (dimensiones en metros):
 (a) Colonia. Alemania: (b) Karisruhe, Alemania: (c) Ludwigshafen. Alemania; (d) Kniebrucke-Dusseldorf, Alemania: (f) Manheim. Alemania;(f) Dusseldorf-Oberkassel, Alemania; (g) Batman, Australia; (h) Bratislava. Checoslovaquia.

Figura 7.17.   Ejemplos de puentes atirantados de tres luces (dimensiones en metros): (a) Dusseldorf-North. Ale­mania; (b) Norderelbe, Alemania: (c) Leverkusen, Alemania: (d) Bonn, Alemania; (e) Rees. Alemania: (f) Duisburgo, Alemania; (g) Stromsund. Suecia: (h) Papineau, Canadá; (i) Onomichi, Japón.

Los puentes atirantados de luces múltiples figura 7.18 generalmente tienen luces iguales con excepción de las dos luces extremas, las cuales se ajustan para conectarse con las luces de aproximación o con los estribos. 

El arreglo de los cables de atirantamiento es simétrico a cada lado de las torres. Por conveniencia de fabricación y montaje, las vigas principales tienen seccio­nes con escalón en el centro de la luz entre las dos primeras tirantas. La relación de la longitud de la sección escalonada central a la longitud total entre torres varía desde 20% cuando se tiene una sola tiranta a cada lado de la torre, hasta 8% cuando salen varias tirantas a cada lado.

 
Figura 7.18   Ejemplos de puentes atirantados de múltiples luces (dimensiones en metros): (a) Maracaibo. Vene­zuela. y (b) Puente de Ganga, India.

Tipos de puentes atirantados.



Los puentes atirantados pueden clasificarse según el material en que están construidos, por el nú­mero de luces soportadas por tirantas, por el arreglo transversal de los planos de las tirantas de cables y por la geometría longitudinal de éstas.

Un puente atirantado de hormigón tiene tanto la viga de la superestructura como las torres hechas de hormigón. Por lo general, las torres son vaciadas en el sitio, aunque, en algunos casos, las torres pueden ser de segmentos prefabricados de hormigón, por encima del nivel del tablero, para facilitar la secuencia del montaje. Las vigas principales pueden ser de segmentos de hormi­gón, prefabricados o vaciados en el sitio. Como ejemplos se tienen el puente Talmadge en Georgia y el Sunshine Skyway en la Florida.

Figura 7.14  Secciones transversales típicas de puentes atirantados: (a) Puente Büchenauer con tablero compuesto de hormigón y dos vigas cajón de acero, (b) Cruce de Julicherstrasse con tablero de placa ortotrópica. viga cajón y voladizos laterales, (c) Kniebrucke con tablero de placa ortotrópica y dos vigas de alma llena, (d} Puente Severn con tablero de placa ortotrópica y dos vigas cajón, (e) Puente cerca de Maxau con tablero de placa ortotrópica. viga cajón v voladizos laterales. (f) Puente Levenkusen con tablero de placa onotrópica. viga cajón y voladizos laterales, (g} Puente Lower Yarra con tablero compuesto de hormigón, dos vigas cajón y voladizos laterales



Los puentes atirantados totalmente de acero constan de torres de acero estructural y una o más vigas cajón atirantadas de acero con un tablero ortotrópico figura 7.19. Como ejemplos están el puente Luling en Louisiana y el puente Meridian en California (construido también como una luz basculante).

Otros puentes llamados atirantados con cables de acero son, en realidad, estructuras compues­tas con torres de hormigón, vigas principales de borde, vigas de piso (y posiblemente largueros), de acero estructural, y una placa de tablero compuesta prefabricada o vaciada en el sitio. El con­cepto de tablero prefabricado es ilustrado en la figura 7.15.


Figura 7.15  Viga de superestructura compuesta de acero y hormigón de un puente atirantado



En general, los arreglos de luces son luces simples, dos luces, simétricas o asimétricas, tres luces o luces múltiples. Los puentes atirantados de una luz son una rareza, dictada usualmente por condiciones inusuales de sitio. A menudo, las tirantas extremas se anclan a bloques de anclajes, análogos a los de un puente colgante de una luz

Características estructurales de los puentes atirantados.



La acción verdadera de un puente atirantado es diferente de la de un puente colgante. En contras­te con los cables principales un poco flexibles de este último, los cables tensos, inclinados, de la estructura atirantada suministran puntos de apoyo un poco estables en la luz principal. De esta manera se reducen las deflexiones. 

La estructura, en efecto, se convierte en una viga continua apoyada en las pilas, con apoyos adicionales elásticos intermedios ( pero mas o menos rígidos,) en la luz. Como resultado de esto, la viga atirantada puede ser de baja altura. Las alturas varían entre 1/60 a 1/80 de la luz principal, y a veces son aun tan pequeñas como 1/100 de la luz.

Por lo general, las fuerzas del cable están balanceadas entre la luz principal y las laterales, y la estructura está anclada internamente, es decir, no requiere anclajes masivos de mampostería. Los efectos de segundo orden del tipo que requiere análisis por una teoría de la deflexión, son de relativa menor importancia para los puentes atirantados comunes de tipo auto anclado , caracteri­zados por compresión en las vigas principales del puente.

Clasificación y características de los puentes atirantados.



Los puentes atirantados han llegado a tener un uso muy amplio desde los años cincuenta para puentes de luces medianas y largas, debido a su economía, rigidez, cualidades estéticas y facilidad de montaje sin andamiaje. En dichos puentes se utilizan cables tensos que conectan las torres a una luz para proporcionar apoyos intermedios para ella. Este principio ha sido entendido por ingenie­ros de puentes por lo menos desde hace dos siglos. Los puentes atirantados con cables son económicos para puentes de luces intermedias, en el intervalo entre las apropiadas para vigas principales de tablero (por lo común hasta 183 u  244 metros pero que requieren alturas extremas, hasta de 10 metros) y las más largas de puentes colgantes (más de 305 metros). Entonces, los puentes atirantados encuentran por lo general su aplicación en el intervalo de luces de 183 a 488 metros, pero luces de longitudes hasta de 793 metros, pueden ser económicamente posibles.

Un puente atirantado tiene sobre un puente colgante la ventaja de mayor rigidez. Las vigas cajón de celda sencilla o de celdas múltiples, atirantadas, poseen gran rigidez torsional y lateral. Estos factores hacen la estructura estable contra el viento y sus efectos aerodinámicos.

Diseño preliminar de puentes colgantes.


Puesto que los puentes colgantes son estructuras importantes, es aconsejable aun en el diseño pre­liminar proceder con cierto grado de refinamiento detallado en los cálculos matemáticos pertinen­tes. A menudo, el análisis con la teoría completa de la deflexión es aconsejable en esa etapa. Tal refinamiento es económicamente posible con los computadores. En lo que sigue se describen dos procedimientos para el diseño preliminar. 

Dicho diseño puede empezar por examinar los factores pertinentes del sitio (requerimientos de gálibo, ancho de calzada, materiales de cimentación, etc.) y el estudio de los detalles de estruc­turas existentes de proporciones y condiciones similares. En la tabla 7.2  se presentan algunos datos típicos. Sin embargo, tales datos deben ser usados con discreción, debido a
TABLA 7.2  Detalles de puentes colgantes importantes.
 
las grandes diferencias en los códigos con respecto a cargas vivas, factores de seguridad, esfuerzos de trabajo admisibles, y de­flexiones. Pueden existir también diferencias significativas en detalles, como la estructura de la vía, que tienen un efecto importante sobre las cargas muertas, así como también diferentes gáli­bos, longitudes de las luces laterales, condiciones de viento y otras condiciones del sitio que influ­yen sobre el peso requerido de acero. Muchos pesos publicados por unidad de área pueden resultar engañosos debido a la inclusión de andenes, senderos de bicicletas, y otros elementos en los anchos de los puentes continentales.

Relaciones de luz. Con tirantes rectos, la relación de la luz lateral a la principal puede ser aproxima­damente de 1:4 por economía. Para luces laterales colgantes, esta relación puede ser casi de 1:2. No obstante, las condiciones físicas en el sitio pueden determinar las proporciones de las luces.

Flecha. La relación flecha-luz es importante ya que determina la componente horizontal de la fuer­za del cable. También, esta relación afecta la altura de las torres, el tiro en los anclajes, y la rigidez total del puente. Para esfuerzos mínimos, la relación debe ser tan grande como sea posible por economía, del orden de 1:8 para luces laterales colgantes, o 1:9 con tirantes rectos. Pero las torres pueden ser entonces muy altas. Se deben hacer varios ensayos comparativos. Para el puente Forth Road, la relación correcta flecha-luz de 1:11 se determinó en esa forma. El intervalo general en la práctica para esta relación está entre 1:8 a 1:12, con un promedio alrededor de 1:10.

Altura de la armadura. Las alturas de la armadura de rigidez varían entre 1/60 a 1/170 de la luz. Sin embargo, las condiciones aerodinámicas juegan un papel impórtame en la forma del diseño preliminar, y algunos de los criterios de diseño aerodinámicos, deben estudiarse en esta etapa.

Otros criterios. Los esfuerzos admisibles en los cables principales pueden variar de 5600 a 6000 kg/cm2. Las deflexiones admisibles por carga viva rara vez se especifican en la practica, pero por lo general no exceden 1/300 de la luz. En Europa, se confía más en limitar el radio de curvatura de la calzada (entre 600 y 1000 m); o en limitar la pendiente de la sección transversal bajo carga excén­trica (aproximadamente a 1%); o en limitar la aceleración vertical bajo cargas vivas  (a 0,31 m/seg2)

Torres de puentes colgantes.



Las configuraciones típicas de torres mostradas en la figura 7.13 son pórticos tipo portal. Por economía, las torres deben tener el ancho mínimo en la dirección de la luz consistente con la estabilidad, pero suficientemente amplio en la parte superior para tomar la silleta del cable.

La mayoría de los puentes colgantes tiene cables fijos en la parte superior de las torres. Con este arreglo, debido a la comparativa esbeltez de éstas, las deflexiones de la parte superior no producen grandes esfuerzos. Es posible usar torres oscilantes, articuladas en la base y en la parte superior, pero su uso está restringido a luces cortas. También, son posibles torres empotradas en la base y con silletas de rodillos en la parte superior, pero limitan su uso a luces medianas. Las patas de la torre pueden, en cualquier caso, ser de sección variable para aprovechar la disminución en el área requerida que se presenta hacia la punta.

La acción estática de la torre y el diseño de detalles dependen de las condiciones de los extremo
 Figura 7.13  Torres de puentes colgantes: (a) Golden Gate, (b) Mackinac,              (c) San Francisco-OakIand Bay. (d) Primer Tacoma Narrows, (e) Walt Whitman


Las armaduras de rigidez de la luz principal, simplemente apoyadas, con frecuencia cuelgan de las torres por medio de péndolas pendulares cortas. Se confía principalmente a las péndolas cortas del centro de la luz la tarea de mantener las armaduras centradas. De esta manera, los efectos de temperatura sobre las torres se reducen a la mitad.

Tipos de puentes colgantes.




Varios arreglos de puentes colgantes se ilustran en la figura 7.9. El cable principal es continuo, sobre silletas en las pilas, o torres, de anclaje a anclaje. Cuando el cable principal en las luces laterales no soporta el tablero del puente (luces laterales soportadas en forma independiente por pilas), la porción del cable entre la silleta y el anclaje es virtualmente recta y se hace referencia a ella como una tiranta extrema recta. Esto es también cierto en el caso que se ilustra en la figura 7.9.a , donde no existen luces laterales

figura 7.9   Arreglos de puentes colgantes, (a) Una luz colgante, con armadura de rigidez de extremos articulados. (b) Tres luces colgantes con armaduras de rigidez de extremos articulados, (c) Tres luces colgantes con armadura de rigidez continua, (d) Puente de varias luces con armaduras de rigidez de extremos articulados, (e) Puente colgante auto anclad

La figura 7.9.d representa un puente de varias luces. Este tipo no se considera eficiente porque su flexibilidad distribuye un porción indeseable de la carga a la viga de rigidez y puede hacer necesarias tirantas horizontales en la parte superior de las torres. En varios puentes colgantes franceses del siglo XIX se usaron estas tirantas. Sin embargo, es dudoso que las torres atirantadas sean estéticamente aceptables para el público general. Otra alternativa para puentes colgantes de varias luces es la usada en el puente de la bahía de Oakland en San Francisco figura 7.10, y fotografía 7.9 que está compuesto esencialmente por dos puentes colgantes de tres luces colocados uno a continua¬ción del otro. Este sistema tiene la desventaja de requerir tres pilas en la porción central de la estructura en donde las profundidades del agua tienden a ser máximas.

Los puentes colgantes también pueden clasificarse según el tipo de anclaje de los cables, exter¬no o interno. La mayor parte de estos puentes son anclados externamente (anclaje en tierra) a un anclaje masivo externo figura 7.9.a-d. Sin embargo, en algunos puentes los extremos de los cables principales del puente colgante están conectados a las armaduras de rigidez, como resulta¬do de lo cual la estructura llega a ser auto anclada figura 7.9.e. En este caso no se requieren anclajes externos.

 Figura  7.10    Puente de la bahía de Oakland en San Francisco.




Fotografía 7.9.   Vista del puente Oakland

Las armaduras de rigidez de los puentes auto anclados se deben diseñar para soportar la com¬presión inducida por los cables, los cuales se conectan a las armaduras de rigidez en un apoyo que resista la componente vertical de la tensión del cable. Dicha componente hacia arriba puede ali¬viar o aun exceder la reacción por carga muerta en el soporte extremo. Si ocurre una fuerza neta hacia arriba, debe suministrarse en el apoyo extremo un eslabón pendular de anclaje hacia abajo.

Los puentes colgantes autoanclados son apropiados para luces cortas o moderadas (122 a 305 metros) en donde las condiciones de cimentación no permitan anclajes externos. Tales condiciones incluyen estratos de pobre capacidad portante y pérdida de peso debido a anclajes sumergidos.  

A otro tipo de puente colgante se hace referencia como puente de cuerda de brida. Estas estruc¬turas, llamadas por los alemanes Zügelgurtbrücke, están tipificadas por el puente en Ruhrort-Homberg sobre el río Rhin figura 7.11, montado en 1953, y el de Krefeld-Urdingen. montado en 1950. Es una clase especial de puente, intermedio entre el puente colgante y el atirantado, con algo de las características de ambos. Los cables principales son curvos, pero no continuos entre las torres. Cada cable se extiende de la torre a una luz, como en los puentes atirantados. Sin embargo. la luz también está colgada de los cables en intervalos relativamente cortos a lo largo de la longi¬tud de los cables, como en los puentes colgantes.

 7.11  Puente tipo cuerda de brida sobre el Rhin en Ruhrort-Homberg, Alemania.
 
Una distinción para hacer entre algunos puentes colgantes primitivos y los modernos tiene que ver con la posición de los cables principales en perfil en el centro de la luz con respecto a las armaduras de rigidez. En los primeros puentes colgantes, la parte inferior de los cables principa¬les en la máxima flecha penetraban en la cuerda superior de la armadura de rigidez y continuaban hacia abajo hasta la cuerda inferior. Debido a la teoría de diseño disponible en ese tiempo, la altura de la armadura de rigidez era relativamente grande, tanto como 1/40 de la luz. Por cuanto la altura de las torres está determinada por la flecha de los cables y el claro requerido bajo las armaduras de rigidez, mover la localización de los cables en el centro de la luz de la cuerda inferior a la superior aumenta la altura de las torres en la altura de las armaduras de rigidez. En los puentes colgantes modernos, las armaduras de rigidez son mucho más bajas que las usadas en los primeros puentes y el aumento en la altura de las torres debido a la localización de los cables en el centro de la luz no es sustancial.

Aunque la mayor parte de los puentes colgantes emplean péndolas verticales de cables para soportar las armaduras de rigidez o el entramado estructural del tablero directamente, ver figura 7.12, unos pocos puentes colgantes, por ejemplo el puente Severn en Inglaterra y el del Bósforo en Turquía, tienen péndolas inclinadas o diagonales figura 7.12. En el sistema de péndolas verticales, los cables principales son incapaces de resistir fuerzas que resultan de cargas externas. En lugar de eso los cortantes son resistidos por las vigas de rigidez o por desplazamientos de los cables principales. En los puentes con péndolas inclinadas, sin embargo, se desarrolla una acción de armadura, que permite a las péndolas resistir cortante (puesto que los cables pueden soportar cargas sólo en tensión, el diseño de tales puentes debe asegurar que siempre exista una tensión residual en las péndolas, esto requiere que la magnitud de la compresión generada por fuerzas cortantes debidas a carga viva debe ser menor que la tensión causada por la carga muerta). Una ventaja adicional de las péndolas inclinadas son las propiedades de amortiguación del sistema con respecto a oscilaciones aerodinámicas.

 Figura 7 .12   Sistema de suspensión con péndolas inclinadas.

Componentes principales de los puentes colgantes.


Un puente colgante puro en su estructuración no presenta tirantas de cable suplementarias y en el cual los cables principa¬les están anclados en forma externa a anclajes en el suelo. En la figura 7.8 se ilustran las principa¬les componentes de un puente colgante. La mayor parte de los puentes colgantes son rigidizados, es decir, como se muestra en la figura 7.8, en éstos se utilizan vigas o armaduras horizontales de rigidización. Su función es igualar las deflexiones debidas a las cargas vivas concentradas y distri¬buirlas a uno o más cables principales. Cuanto más rígidas sean estas vigas o armaduras, relativas a la rigidez de los cables, mejor se cumplen estas funciones (los cables derivan su rigidez no sólo de las dimensiones de su sección transversal sino también de su forma entre apoyos, la cual depende tanto de la tensión del cable como de su carga).


Figura 7.8   Componentes principales de un puente colgante.

Para luces colgantes muy largas y pesadas, las deflexiones por carga viva pueden ser suficiente­mente pequeñas para que las armaduras de rigidez no sean necesarias. Cuando se omiten tales miembros, la estructura es un puente colgante no rigidizado. Así, si la relación de carga viva a carga muerta fuera de 1:4, la deflexión en el centro de la luz sería del orden de 1/100 de la flecha, o 1/1,000 de la luz, y el uso de armaduras de rigidización por lo general seria innecesario (para el puente George Washington tal como fue construido al comienzo, la relación carga viva a carga muerta era aproximadamente 1:6. Por tanto, no necesitó una armadura de rigidización).

Fotografía  7.8.  Puente George Washington

Clasificación y características de los puentes colgantes.



Los puentes colgantes con cables hechos de alambres de acero galvanizados de alta resistencia son apropiados para las luces más largas. Por lo general, tales puentes llegan a ser económicos para luces de más de 305 metros. dependiendo de las restricciones específicas del sitio. Sin embargo, mu­chos puentes colgantes con luces tan cortas como 92 ó 122 metros, se han construido para aprovechar sus propiedades estéticas.
La característica económica básica de los puentes colgantes, resultante del uso de materiales de alta resistencia a tensión, es la ligereza, debida a la carga muerta relativamente baja. Pero esto, a su turno, conlleva la desventaja estructural de la flexibilidad, que puede conducir a grandes deflexiones bajo carga viva y sensibilidad a vibraciones. Como resultado, los puentes colgantes son más apropiados para puentes de carretera que para los más pesadamente cargados puentes de ferrocarril. No obstante, tanto para puentes de carretera como para puentes férreos, debe tenerse cuidado en el diseño para proporcionar resistencia a las oscilaciones producidas por viento o sismo, como las que causaron el colapso del puente de Tacoma Narrows en 1940.


Clasificación de los puentes sostenidos por cables.



Los puentes sostenidos por cables que dependen de cables de acero de muy alta resistencia como elementos estructurales principales, pueden clasificarse como puentes colgantes y puentes atiranta­dos.
La diferencia fundamental entre estas dos clases es la manera como el tablero del puente es soportado por los cables.

En los Puentes Colgantes, el tablero es soportado a intervalos relativamen­te cortos por péndolas verticales, las cuales a su turno son soportadas por los cables principales figura 7.6.a. Los cables principales son un poco flexibles y por tanto, toman un perfil cuya forma es una función de la magnitud y posición de la carga. 

En los Puentes Atirantados los cables inclinados  figura 7.6.b, soportan el tablero del puente en forma directa con cables más o menos tensos que comparados con el clásico puente colgante, suministran apoyos relativamente inflexibles en varios puntos a lo largo de la luz. La geometría casi lineal de los puentes produce uno con mayor rigidez que el correspondiente puente colgante.

Los puentes sostenidos por cables se caracterizan en general por su economía, ligereza y clari­dad de la acción estructural. Estos tipos de estructuras ilustran el concepto de la forma consecuente con la función y presentan apariencias elegantes y estéticamente agradables. Cada uno de estos tipos de puentes sostenidos por cables pueden ser subclasificados aún más como se presenta en las siguientes secciones.

Figura 7.6.   Sistemas de puentes sostenidos por cables: (a) colgante y (b) atirantado

Muchos de los primeros puentes sostenidos por cables eran una combinación de sistemas col¬gantes y sistemas atirantados . Tales combinaciones pueden ofrecer aun mayor resis¬tencia a cargas dinámicas y pueden ser más eficientes para luces muy largas que cualquiera de los dos tipos solos. El único puente contemporáneo de este tipo es el diseño de Steinman del puente Salazar sobre el río Tajo, en Portugal. La estructura actual, un puente colgante convencional, se indica en la figura 7.7.a,. En el futuro van a instalarse tirantas de cable para atender tráfico ferro¬viario adicional  figura 7.77.b, 

Figura 7.7.  Puente Salazar. (a) Alzada del puente en 1993; {b) alzada del futuro puente

 

Puentes Sostenidos por Cables.


Pocas estructuras son tan universalmente llamativas como los puentes soportados por cables. El origen del concepto de salvar grandes luces con cables, utilizando su resistencia a la tensión, se pierde en la antigüedad y, sin duda, se extiende hacia atrás en el tiempo hasta antes de los registros históricos. Tal vez seres humanos primitivos, en la necesidad de cruzar obstáculos naturales como cañadas profundas y grandes corrientes, observaron una araña tejiendo su red o monos desplazán­dose a lo largo de bejucos colgantes.

Los antiguos puentes sostenidos por cables eran peatonales que consistían en cables formados por bejucos o tiras de cuero retorcidos, fuertemente tensionados para reducir la flecha. Los extremos del cable eran amarrados a árboles u otros objetos permanentes localizados en las orillas de los ríos o en los bordes de la cañadas o de otras obstrucciones naturales al tráfico. El tablero, proba­blemente de tablas labradas de manera burda, era colocado en forma directa sobre el cable. Este tipo de construcción fue usado en edades remotas en la China, el Japón, la India y el Tibet. Fue usado también por los aztecas en México, los incas del Perú y por nativos de otras partes de Sudamérica. Todavía se puede encontrar en áreas remotas del mundo.

En 1607, un ingeniero veneciano llamado Faustus Verantius publicó una descripción de un puen­te suspendido, soportado de manera parcial por varias tirantas de cadenas diagonales figura 7.3. a . Las tirantas en ese caso eran usadas en combinación con un cable principal de soporte (catenaria). El primer uso de un puente puramente atirantado se acredita a Lösher, quien construyó un puente atirantado de madera en 1784 con una luz de 32 metros figura 7.4.a. El concepto de puentes pura­mente atirantados parece que no fue usado de nuevo hasta 1817 cuando dos ingenieros británicos, Redpath y Brown, construyeron el puente peatonal de King’s Meadow figura 7.3.b. con una luz de unos 33,5 metros. En esta estructura se utilizaban tensores de cable de alambre inclinados, conectados a torres de hierro fundido. En 1821, el arquitecto francés Poyet sugirió un puente puramente atiran­tado con cables figura 7.4.b. usando como tirantas barras suspendidas de altas torres.

Figura 7.3.a.  Puente de cadenas por Faustus Verantius, 1607


Figura 7.3.b.  Puente peatonal de King's Meadow.

Figura 7.3.c.  Puente de Dryburgh Abbey.

Figura 7.3.d.  Puente de Nienburg.


Esta clase de puente pudo haber llegado a ser una forma convencional de construcción de puentes a no ser por una serie de circunstancias infortunadas. En 1818, un puente peatonal com­binado atirantado y colgante que cruzaba el río Tweed, cerca de la abadía de Dryburg, en Inglate­rra figura 7.3.c, colapso como resultado de la acción del viento. En 1824, un puente atirantado que cruzaba el río Saale, cerca de Nienburg, en Alemania figura 7.3.c,  se desplomó probable­mente por sobrecarga. El famoso ingeniero francés C.L.M.H. Navier publicó en 1823 un presti­gioso trabajo en donde sus comentarios adversos sobre las fallas de varios puentes atirantados condenó prácticamente el uso de tirantas de cables a la oscuridad.
A pesar de las críticas adversas de Navier sobre los puentes atirantados, varios más fueron construidos poco después de los fatales colapsos de los puentes en Inglaterra y Alemania, por ejemplo, el puente de cables de Gischlard-Arnodin figura 7.4.c, con múltiples cables inclinados colgantes de dos torres de mampostería. En 1840, Hatley, un inglés, usó tirantas de cadena en una configuración paralela parecida a las cuerdas de un arpa figura 7.4.d.. Él mantuvo el espaciamiento paralelo de las tirantas principales usando un subsistema espaciado estrechamente ancla­do al tablero y perpendicular a los cables portantes principales.

Figura 7.4.a.  Puente de madera tipo Löscher

Figura 7.4.b.  Puente tipo Poyet.

Figura 7.4.c.  Puente de cables inclinados tipo Gischiard-Arnodin


Figura 7.4.d.  Puente de cadenas Hatley.


Además de las tirantas se utilizaron las péndolas verticales para soportar la superestructura del puente. Observaciones del comportamiento indicaron que las tirantas y las péndolas no se acoplaban de modo eficiente. En consecuencia, aunque las tirantas eran convenientes medidas de seguridad en los primeros puen­tes, en el desarrollo posterior de los puentes colgantes de catenaria convencional se omitieron las tirantas. El puente colgante convencional dominó hasta la segunda mitad del siglo XX.
La virtual eliminación de los puentes atirantados durante el siglo XIX y los comienzos del XX puede atribuirse a la falta de análisis teóricos confiables para la determinación de las fuerzas internas del sistema total. La falla en entender el comportamiento de los puentes atirantados y la carencia de métodos para controlar el equilibrio y la compatibilidad de los diversos componentes estructurales altamente indeterminados, parecen haber sido el mayor obstáculo para la continuación del desarrollo del concepto. Además, los materiales en ese periodo no eran los apropiados para puentes atirantados.
El renacimiento de los puentes atirantados parece haber empezado en 1938 con el trabajo del ingeniero alemán Franz Dischinger. Al diseñar un puente colgante para cruzar el río Elba cerca de Hamburgo figura 7.5, Dischinger determinó que la deflexión vertical del puente bajo cargas de ferrocarril podía reducirse de manera considerable al incorporar tirantas de cables al sistema de suspensión. A partir de esos estudios y de su posterior diseño del puente de Strömsund en Suecia (1955), evolucionaron los puentes atirantados modernos. Sin embargo, el mayor ímpetu para los puentes atirantados vino en Alemania después de la Segunda Guerra Mundial con el diseño y construcción de puentes para remplazar los que habían sido destruidos en el conflicto.


Figura 7.5.  Sistema de puente propuesto por Dischinger

POZO DE SUCCIÓN: Dispositivos complementarios.



La mayoria de las casas de bombas para aguas residuales requiere de los siguientes dispositivos auxiliares:

a)         Boyas  o  electrodos  para  el  accionamiento de  las  llaves  de  comando  de  los  motores ubicados en función a niveles máximos y minimos de agua residual en el cárcamo.
b)         Bomba para agotamiento de aguas de condensación, de infiltración o de filtración que eventualmente pueden presentarse en el pozo seco.
c)         Puente grúa, tecle u otro mecanismo para suspensión del conjunto elevatorio.