Diseño e Ingeniería de Puentes: Estructuras, Tableros y Soluciones Geotécnicas

Conceptos Clave en Diseño e Ingeniería de Puentes y Cimentaciones

Tipologías Estructurales y Métodos Constructivos de Puentes

Puentes de Voladizos Sucesivos

En esta metodología constructiva, el tablero se apoya en puntos fijos (pilas o estribos), a partir de los cuales se establece la progresión en la construcción tramo a tramo, avanzando en voladizo desde los apoyos.

Puentes Mixtos

Estructuras compuestas por una o varias vigas longitudinales de acero estructural y una losa superior de hormigón armado o pretensado. Ambos materiales se conectan para que actúen como un conjunto monolítico, aprovechando la resistencia a tracción del acero y a compresión del hormigón.

Puentes Arco

Caracterizados por su estructura principal en forma de arco (semicircular, parabólico, etc.), con estribos robustos en cada extremo que absorben los empujes horizontales. El puente arco desvía eficientemente el peso de la cubierta y las cargas hacia los estribos, trabajando predominantemente a compresión.

Puentes Empujados (Construcción por Incrementos)

Técnica constructiva donde el tablero del puente se fabrica por segmentos en una zona adyacente a su ubicación final (generalmente detrás de un estribo, en un parque de prefabricación) y posteriormente se desliza o empuja longitudinalmente sobre los apoyos intermedios (pilas) hasta alcanzar su posición definitiva.

Puentes Colgantes

Estructuras icónicas sostenidas por un sistema de cables principales flexibles (catenarias) anclados en grandes macizos en los extremos y que se apoyan sobre altas torres. De estos cables principales se suspende el tablero mediante cables secundarios verticales o inclinados, denominados péndolas.

Ventajas de los Puentes Colgantes:

• Permiten salvar grandes luces (distancias entre apoyos) con una plataforma elevada, facilitando el paso de embarcaciones de gran altura bajo ellos.
• Generalmente, no requieren apoyos centrales temporales durante su construcción sobre el vano principal, lo que es ventajoso en zonas de difícil acceso o sobre cauces navegables.

Desventajas de los Puentes Colgantes:

• Su inherente flexibilidad puede hacerlos susceptibles a la inestabilidad aerodinámica (oscilaciones inducidas por el viento) si no se diseñan y comprueban adecuadamente mediante estudios en túnel de viento.
• Las grandes cargas de viento transmitidas por el tablero y los cables a las torres generan momentos flectores significativos en la base de estas, requiriendo cimentaciones de gran envergadura y coste.

Puentes de Materiales Compuestos (Plásticos)

Construidos principalmente con elementos estructurales fabricados a partir de placas o perfiles de polímero reforzado con fibra de vidrio (PRFV), fibra de carbono (PRFC) u otros materiales compuestos avanzados. Ofrecen ventajas como una elevada relación resistencia/peso, durabilidad y resistencia a la corrosión.

Diseño de Tableros para Puentes: Variantes y Aplicaciones

Tableros de Viga I Prefabricadas

Son una solución muy extendida en puentes de luces cortas y medias. Estos tableros utilizan vigas prefabricadas de hormigón pretensado con sección transversal en forma de "I". Los cantos de estas vigas suelen variar entre 0,60 y 2,50 metros. Son adecuados para cubrir tramos isostáticos o continuos con luces de hasta aproximadamente 50 metros para puentes de carretera y 40 metros para puentes de ferrocarril.

Tableros Monoviga en Artesa

Este tipo de tablero, generalmente prefabricado, se emplea frecuentemente en puentes de carretera con anchos de calzada de hasta unos 10 metros. Su sección transversal en forma de artesa (similar a una "U" ancha) ofrece buena rigidez torsional, lo que permite también su fabricación para trazados curvos.

Tableros de Vigas U

Ampliamente utilizados, en parte por consideraciones estéticas y funcionales (alojan servicios), los tableros conformados por vigas prefabricadas en "U" (simples o múltiples) presentan cantos que oscilan entre 0,70 y 2,50 metros. Permiten cubrir tramos con luces de hasta 50 metros en puentes de carretera y 40 metros en puentes de ferrocarril, similar a las vigas I.

Tableros de Losa con Viga T Invertida (Pi-Ledger)

Esta solución se utiliza en tableros para luces muy pequeñas o en pasos inferiores. Consiste en vigas prefabricadas de hormigón con sección en "T" invertida que se disponen adyacentes, uniéndose a tope por sus alas inferiores. El espacio entre las almas de las vigas se rellena posteriormente in situ con hormigón, conformando la losa superior del tablero.

Losas con Encofrados Perdidos entre Vigas

Estas losas, generalmente con espesores de 4 a 6 centímetros, se construyen utilizando placas prefabricadas delgadas de hormigón (encofrados perdidos) que se apoyan sobre las alas superiores de las vigas principales (sean estas metálicas o de hormigón). Sobre este encofrado se coloca la armadura y se hormigona in situ el resto de la losa. Pueden ser de hormigón armado o pretensado.

Soluciones Geotécnicas: Cimentaciones y Mejora de Suelos

Pilotes Prefabricados en Cimentaciones

Elementos de cimentación profunda, fabricados industrialmente en hormigón armado o pretensado antes de su hinca o instalación en el terreno. Transmiten las cargas de la superestructura a estratos más resistentes del subsuelo.

Ventajas de los Pilotes Prefabricados:

• Capacidad para soportar cargas de trabajo elevadas, típicamente del orden de 100-125 kg/cm² sobre su sección de hormigón.
• Requieren una menor sección transversal en comparación con pilotes ejecutados in situ para la misma carga axial, debido al control de calidad en fábrica.
• Posibilidad de utilizar juntas de empalme mecánicas o soldadas para alcanzar grandes longitudes o profundidades.
• Uso de pilotes pretensados cuando se prevén esfuerzos de flexión importantes (cargas horizontales, excentricidades).

Compactación Dinámica del Terreno

Técnica de mejora de suelos granulares sueltos y rellenos heterogéneos. Consiste en la aplicación repetida de impactos de muy alta energía sobre la superficie del terreno. Esto se logra mediante la caída libre de un peso considerable (macizo de compactación de varias toneladas) desde una altura significativa (10-30 metros), utilizando grúas especiales.

Vibrocompactación y Vibrosustitución

Métodos de mejora de suelos que utilizan un vibrador profundo (vibroflot). La vibrocompactación se aplica a suelos granulares sueltos (arenas, gravas) para aumentar su densidad. La vibrosustitución se emplea en suelos cohesivos blandos o mixtos, donde el vibrador crea un hoyo que luego se rellena con material granular (grava o piedra), formando una columna de grava compactada que mejora la capacidad portante y reduce los asientos.

Fases del Proceso de Vibrocompactación/Vibrosustitución:

1. Hinca: Penetración del vibrador en el terreno hasta la profundidad de tratamiento deseada, ayudado por su propio peso y la vibración (a veces con inyección de agua o aire).
2. Compactación/Formación de Columna: El vibrador opera en profundidad, densificando el suelo circundante (vibrocompactación) o creando y expandiendo el espacio para el material de aporte (vibrosustitución).
3. Aporte de Material (principalmente en Vibrosustitución): Se añade material granular (grava o piedra) desde la superficie, que es compactado por el vibrador en tongadas sucesivas.
4. Acabado y Extracción: Extracción gradual del vibrador, compactando el terreno o la columna de grava en capas ascendentes hasta la superficie.

Técnica de Jet Grouting

Técnica de mejora del terreno que consiste en la inyección de una lechada de cemento (u otro aglomerante) a muy alta presión (200-600 bar) a través de pequeñas boquillas situadas en una varilla de perforación. El fluido a alta velocidad (jet) erosiona, desestructura y se mezcla íntimamente con el terreno original, formando una columna cilíndrica de suelo-cemento de propiedades mecánicas e hidráulicas mejoradas. Se utiliza para cimentaciones, pantallas de impermeabilización, consolidación de suelos, etc.

Otros Métodos Relevantes de Mejora del Terreno

Además de los mencionados, existen otras técnicas ampliamente utilizadas para mejorar las propiedades de los suelos en proyectos de ingeniería, tales como:

• Compactación superficial: Mediante rodillos vibratorios, estáticos o de impacto para densificar capas superficiales de suelo.
• Precarga y drenaje vertical: Aplicación de una carga temporal (terraplén) sobre suelos cohesivos blandos para inducir su consolidación, acelerada mediante la instalación de drenes verticales prefabricados.
• Columnas de grava: Además de la vibrosustitución, pueden ejecutarse por otros métodos como el desplazamiento o la perforación y relleno.
• Inyecciones: Diversos tipos de inyecciones (de lechada de cemento a baja presión, químicas, de resinas) para consolidación, impermeabilización o compensación de asientos.