Puentes atirantados

Desarrollo, logros y posibilidades

Las estructuras atirantadas son los sistemas de puentes más jóvenes, de más rápido desarrollo y más prometedores.

Los puentes atirantados son una subcategoría de las estructuras suspendidas. Los puentes atirantados son similares a los puentes colgantes, ya que tienen torres y un tablero-viga soportado por cables; sin embargo, sus cables diagonales transfieren las cargas verticales del tablero directamente a las torres. Así, el tablero principal de un puente atirantado funciona como una viga continua sobre soportes de cables (más flexibles que los soportes de los pilares) con una fuerza de compresión adicional en todo el tablero. Un puente atirantado es también un sistema pretensado, ya que sus tirantes se tensan adicionalmente para contrarrestar una parte importante de las cargas verticales sobre el tablero principal.

El puente de Strömsund en Suecia, terminado en 1956 con un vano principal de 182 metros (597 pies), se considera el primer puente atirantado moderno. Durante los 65 años siguientes, los puentes atirantados han experimentado un espectacular aumento tanto en el número de estructuras nuevas como en las realizaciones de grandes luces. En 1995, sólo había 3 puentes atirantados con vanos superiores a 500 metros; 25 años después, ya hay 67 puentes atirantados con vanos superiores a 500 metros (incluidos tres de más de 1.000 metros o 3.280 pies). Actualmente se están construyendo otros 29 con vanos superiores a 500 metros, algunos de ellos de más de 800 metros.

La gama de eficiencia de los puentes atirantados está avanzando hacia vanos aún más largos. No hay ningún otro sistema estructural de puentes que muestre un desarrollo tan rápido. La mayoría de los puentes atirantados son visualmente hermosos, y algunos se encuentran entre los logros más impresionantes de la ingeniería.

Orígenes y precedentes

La idea del sistema atirantado se inspiró quizás en los puentes levadizos de los castillos medievales y en los mástiles con cuerdas de los barcos altos. La primera imagen documentada de un puente atirantado aparece en Machinae Novae, un libro de Fausto Veranzio publicado en 1615.

Los predecesores de los puentes atirantados modernos aparecieron en el siglo XIX en forma de diferentes combinaciones híbridas de sistemas de suspensión con cables rectos diagonales adicionales, como en el caso del puente Albert, Reino Unido (1873). La más conocida de estas estructuras híbridas es el puente de Brooklyn, Nueva York, 1883, con un vano principal de 486 metros (1.594 pies), para el que John Roebling utilizó cables diagonales para rigidizar la estructura.

En las décadas de 1960 y 1970, el sistema se desarrolló aún más para sustituir muchos de los puentes destruidos en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. En este periodo, el sistema también se utilizó para estructuras de cubierta que requerían espacios largos y sin columnas en los edificios. Al principio, las estructuras atirantadas se utilizaban para vanos de puentes de 60 a 250 metros, pero hoy en día abarcan distancias mucho mayores y son el único sistema que desafía a los puentes colgantes en vanos superlargos. Sus luces llegaron a 302 metros en 1959 con el puente Severin (Alemania), a 404 metros en 1974 con el puente de Saint Nazaire (Francia) y a 856 metros en 1995 con el puente de Normandía de Michel Virlogeux (Francia). En la actualidad, el puente de la Isla Russky (Rusia) tiene la mayor luz de este sistema, 1.104 metros (3.622 pies) conseguidos en 2012 (Figura 1).

En Estados Unidos, podemos mencionar el segundo puente Sunshine Skyway con una luz de 366 metros (1.200 pies) en 1987 (Florida), el puente Dames Point con una luz de 396 metros (1.300 pies) en Florida, y el puente Arthur Ravenel con una luz de 471 metros (1.545 pies) en 2005 (Carolina del Sur).

Especificidades del sistema

Los principales elementos de un puente atirantado son las torres o pilones, las vigas del tablero, los tirantes, los anclajes y los cimientos. Torre y pilón son términos intercambiables; las torres más ligeras y esbeltas suelen llamarse pilones. Los puentes atirantados clásicos son simétricos, con un vano central, dos vanos laterales y dos torres; así son la mayoría de los puentes atirantados con vanos superiores a 600 metros. Los cables de apoyo pueden extenderse por varios vanos laterales.

Los puentes atirantados asimétricos tienen un vano principal y un vano lateral, con una sola torre. Los puentes atirantados de varios vanos tienen dos o más vanos principales (normalmente iguales). En la figura 2 se muestran varios ejemplos.

Se utilizan algunas subdivisiones para los puentes atirantados: extradós, bajo cubierta (under-deck), cuna, cercha Fink invertida y tensegridad. Los cables de las torres pueden disponerse en paralelo (arpa), en abanico, en estrella o en configuración mixta. Se utilizan varias soluciones estructurales para las torres: pilones simples, portales de doble pata (verticales, ligeramente angulados, independientes o interconectados como un marco de portal, con arcos en forma de «A», «H», «Y» o «Y» invertida).

Las torres pueden ser continuas por encima y por debajo del tablero soportando tanto el tablero como los cables, o la parte superior puede soportar sólo los cables mientras que el tablero-viga se apoya directamente en los pilares. En la figura 3 se muestran algunos ejemplos.

Los principales materiales de construcción utilizados en los puentes atirantados son:

• Para los tableros: hormigón armado o pretensado, hormigón-acero compuesto, o tableros de acero ortotrópico;
• Para los tableros-viga: vigas de hormigón pretensado o de acero, vigas cajón de hormigón pretensado o de acero, similares a las de los modernos puentes colgantes;
• Para las torres: de acero, de hormigón armado o pretensado, de acero-hormigón compuesto;
• Para los cables: alambres de acero de alta resistencia, normalmente de grado 270 (270 ksi, o 1.860 MPa), construidos con 7 alambres de ⅜ pulgadas (9.5 milímetros) según la norma ASTM A886, otros alambres de acero de mayor calidad, polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) o materiales compuestos. El hormigón pretensado se ha utilizado en el pasado, pero debería evitarse ya que se ha demostrado que no es seguro en algunos fallos como el del puente Morandi;
• Para los pilares y las cimentaciones: hormigón armado con o sin pilotes dependiendo del suelo.

Para los puentes de grandes luces, las cimentaciones en suelos blandos o para los puentes en zonas altamente sísmicas, es preferible utilizar predominantemente estructuras de acero para reducir el peso propio y las fuerzas sísmicas relacionadas.

Diseño conceptual

La parte más importante del diseño de un puente es el concepto global de la estructura y sus elementos: la selección del sistema estructural apropiado para el puente teniendo en cuenta su función específica, la ubicación del emplazamiento y las luces necesarias. Un concepto bien seleccionado determina la eficacia y la economía del puente, ahorra materiales, costes y tiempo de construcción. Los buenos conceptos de diseño minimizan los problemas y las dificultades futuras tanto en la oficina de diseño como en la obra.

En el diseño de los primeros puentes atirantados, los ingenieros utilizaban un número relativamente pequeño de cables. Tras adquirir más experiencia y con la introducción del software de diseño estructural, los ingenieros pudieron utilizar un mayor número de tirantes, reduciendo la demanda en la viga del tablero y conduciendo a una mayor eficiencia y vanos más largos.

Los fundamentos del diseño de los puentes atirantados son los siguientes: las cargas verticales en el tablero son soportadas por tirantes de cable diagonales que transfieren estas cargas a las torres. En la torre, los componentes horizontales de los cables del vano principal están en equilibrio con los de los vanos laterales/adyacentes. Las torres soportan y transfieren la carga vertical a los cimientos. Del mismo modo, los componentes horizontales de compresión acumulados de las cargas del vano principal están en equilibrio con los componentes de carga de compresión de los vanos laterales. Por lo tanto, todo el sistema del puente está en equilibrio con las fuerzas de compresión predominantes en las torres y el sistema del tablero, y con las fuerzas de tensión en los tirantes. El sistema se autoequilibra, siempre que todos los elementos se diseñen correctamente para sostener la máxima demanda de la mayor combinación de cargas posible.

El reto para el ingeniero de diseño es seleccionar una combinación adecuada de las múltiples variaciones posibles de torres, disposiciones de tirantes y sistemas de tableros. Como todas las estructuras suspendidas, los puentes atirantados son sensibles a las deformaciones y es necesario comprobar el estado de deformación del sistema para todas las combinaciones de carga, incluso durante las diferentes fases de construcción.

Los programas informáticos de diseño estructural actuales ayudan mucho a los ingenieros en el cálculo de los puentes atirantados. Después de elegir los parámetros principales del sistema, es esencial establecer las dimensiones y secciones de arranque del tablero-viga, los cables y las torres. Un enfoque de diseño sencillo ayudará a establecer estas dimensiones.

Para empezar, el diseñador puede utilizar una viga simplemente apoyada de sustitución para determinar los momentos de flexión aproximados para el tablero-viga del vano principal. El pretensado ascendente de los tirantes puede compensar la mayor parte de los momentos de las cargas permanentes en el tablero. Esto se consigue con un tensado adicional de los cables después de montar los elementos principales para contrarrestar las cargas permanentes, lo que da lugar a una flexión vertical mínima en el tablero-viga. Los cables deben tensarse adicionalmente para contrarrestar el 50% de las cargas temporales descendentes combinadas (cargas vivas, viento, nieve, hielo y terremoto). De este modo, los momentos de flexión de trabajo de la cubierta-junta variarán durante el funcionamiento aproximadamente entre el 50% de los momentos positivos (de la peor combinación de cargas temporales) y el 50% de los momentos negativos de las cargas temporales. Este «primer paso» determina los momentos de diseño para la viga de cubierta del vano principal. La compresión en el tablero-vigía debida a los componentes horizontales de las fuerzas de los tirantes de los cables es la suma acumulada de estos componentes, aproximadamente entre el 55 y el 65% de las cargas verticales totales en el vano principal, dependiendo del vano, el número de cables y la altura de las conexiones de los cables en la torre. La fuerza de compresión acumulada (ΣPc) en el tablero es igual a la suma de todas las fuerzas de compresión Pci en las conexiones de los cables (Figura 4) en el tablero: la fuerza de tracción del cable Pcable = Pv/sin α,

Pci es la fuerza de compresión en la viga de cubierta procedente de la componente horizontal de la fuerza del cable,

Pvi es la fuerza vertical DL + LL aplicada en la conexión del cable en la cubierta-barra más el componente vertical de la fuerza de tensión aplicada adicionalmente,

Li es la distancia horizontal desde esta conexión a la torre, y

Ht es la altura de esta conexión del cable en la torre por encima de la cubierta.

Un cálculo inicial simplificado para la fuerza de compresión acumulada es proporcionado por:

donde:

ΣPc es la fuerza de compresión acumulada en el tablero-viga, máxima en las torres,

ΣPv es la suma de todas las fuerzas verticales descendentes en el tablero del vano principal,

Lmax es la longitud del vano principal,

Ht es la altura de las conexiones de los cables en la torre por encima del tablero, como se muestra en la figura 4 para la configuración de cables en abanico o en arpa, y

Lgr es la longitud total del grupo de cables para la configuración en arpa.

La suma de las fuerzas horizontales de todos los cables en la torre (desde el vano principal) es igual a la fuerza de compresión acumulada en la viga del tablero del vano principal, equilibrada por una fuerza igual en el lado opuesto.

Estos cálculos permitirán al diseñador establecer las dimensiones de diseño iniciales para los cables, la viga del tablero y la torre que se utilizarán en el modelo informático para posteriores ajustes y refinamientos del sistema. La viga del tablero debe diseñarse para la compresión y la flexión del sistema de tirantes y el diseño típico del tablero del puente para las cargas verticales muertas y vivas. El enfoque inicial descrito anteriormente ayudará a alcanzar el objetivo final deseado más rápidamente.

Eficiencia y economía

Los puentes atirantados son eficientes en cuanto a costes, materiales y tiempo de construcción. Tienen una mayor eficiencia que otros sistemas de puentes, cuyo único competidor son los sistemas de suspensión, al tiempo que permiten métodos de construcción más sencillos. Una ventaja adicional de los puentes atirantados es su mayor rango de vanos eficientes, desde 100 metros (328 pies) hasta más de 1.000 metros (3.280 pies).

La multitud de posibilidades del sistema proporciona a los ingenieros y arquitectos muchas opciones de diseño. Las estructuras de «medio-largo alcance» permiten más creatividad, originalidad y posibilidades de trabajo innovador. Un puente atirantado no tiene por qué ser extravagante. El puente más sencillo con una estructura «sincera» suele ser el mejor y suele ser elegante y atractivo.

Los puentes atirantados tienen una combinación de elegancia, esbeltez y sensación de robustez. La demanda de la infraestructura nacional de más puentes requiere la prioridad de la eficiencia y la economía.

El arte de la ingeniería requiere creatividad y fantasía, pero los ingenieros deben evitar las formas repetitivas e ilógicas. La creatividad es esencial, pero la «excesiva originalidad» sólo debe encontrarse en excepciones justificadas (por ejemplo, Christian Menn y Michel Virlogeux).

Pros y contras

Las principales ventajas del sistema son:

• Construcción rápida y relativamente fácil, que requiere menos tiempo de construcción
• Menos costosa
• Múltiples opciones de diseño
• Gran rango de vanos eficientes
• Estructuras fuertes y resistentes
• Atractiva apariencia

Las principales desventajas del sistema son:

• Sigue siendo inferior a los puentes colgantes para vanos superlargos
• Requiere comprobar las deformaciones en todas las condiciones
• Requiere experiencia tanto en el diseño como en la construcción

Desarrollo posterior

Como todos los demás sistemas de puentes, los puentes atirantados se mejoran continuamente basándose en el desarrollo de materiales de alta resistencia y nuevas tecnologías de construcción. Lo más valioso para los ingenieros son las modificaciones de los sistemas estructurales establecidos y los subsistemas más nuevos. Además del aumento del número de puentes atirantados con vanos más largos (por encima de 600 metros o aproximadamente 2.000 pies), cada vez se utiliza más el sistema para puentes peatonales. Las cargas menores y las luces más cortas permiten a los ingenieros explorar nuevos enfoques, transformando la construcción de estos puentes en un laboratorio de pruebas para la innovación. En este sentido, podemos considerar los sistemas de subpuentes extradosados, infrapenetados y de cerchas Fink invertidas, todos ellos orientados a mejorar la eficiencia.

Un área de desarrollo futuro es la búsqueda de combinaciones/híbridos de sistemas de puente atirantado y suspendido para lograr vanos superlargos. La idea es reducir la longitud del tramo de suspensión desplazando los puntos de apoyo de la suspensión hacia el interior del tramo. De este modo, no sólo se reduce la longitud del vano de suspensión, sino también la altura necesaria de la torre, a la vez que se consigue una mayor luz libre. Esto se consigue con «alternativas de atirantamiento en voladizo» en las torres del puente, añadiendo pilones atirantados «en cubierta» (Figura 5). Con voladizos de 500 metros (1.640 pies) y pilones atirantados «en cubierta» utilizados a cada lado de una luz libre total de 3.000 metros (9.842 pies), la parte de suspensión se reduce a 2.000 metros (6.561 pies). Esta reducción permitiría utilizar cables de suspensión principales del tamaño y el tipo de los que ya se utilizan en puentes, como el Akashi-Kaikyo de 1991 metros (6.532 pies), para una luz principal mucho más larga.

Conclusiones

Según el progreso técnico actual y el rápido desarrollo, los puentes atirantados podrían alcanzar vanos de 2.400 a 2.600 metros (7.600 a 8.500 pies) en poco tiempo; dicho diseño requerirá torres de entre 500 y 570 metros de altura (1640 pies a 1.870 pies), algo alcanzable, teniendo en cuenta las estructuras de rascacielos ya realizadas. Esto ampliará el rango de eficiencia de los puentes atirantados a vanos muy largos por encima de los 2.000 metros (6.561 pies). Un sistema híbrido de atirantado y suspensión permitiría vanos aún más largos, de hasta 3.000 a 3.400 metros, incorporando un puente colgante «puro» de «sólo» 2.200 a 2.400 metros.

A partir de la eficiencia y las ventajas de las estructuras atirantadas, los ingenieros y las agencias de transporte estadounidenses deberían considerar más puentes atirantados al planificar nuevos proyectos. Un mayor uso de los puentes atirantados puede mejorar la infraestructura con estas estructuras eficientes, de construcción más rápida y elegante. La popularización de los puentes atirantados también puede ayudar a nuestra profesión de ingeniería de puentes a recuperar su posición de liderazgo en el diseño y construcción de puentes de gran longitud.■