En el presente artículo se aborda la importancia de considerar en el diseño estructural de un puente atirantado el efecto del pandeo global, para lo cual se escogió a manera de ejemplo un ensayo experimental de un prototipo a escala 1/50 del puente Tatara Oohashi, para finalmente analizar sus resultados y establecer conclusiones y recomendaciones que puedan ser de alguna utilidad para los estudiantes e ingenieros que se dedican a este apasionante mundo de la ingeniería y construcción de puentes.
CARACTERÍSTICAS:
El puente Tatara (Tatara Oohashi) es un puente atirantado que es parte de la autopista de Nishiseto, comúnmente conocido como Shimanami Kaidō. El puente tiene un tramo central de 890 metros (2.920 pies). A partir del 2010 tiene el cuarto tramo principal más largo de cualquier puente atirantado después del puente de Sutong. La autopista es una serie de caminos y puentes que es una de las tres rutas del Proyecto de Puente Honshū-Shikoku que conecta las islas de Honshū y Shikoku a través del mar Interior de Seto en Japón. El puente de Kurushima-Kaikyō está en la misma ruta. [1]
El puente atirantado de Tatara, que abrió sus puertas el 1 de mayo de 1999 cuenta con un carril exclusivo para peatones y ciclistas; y otro carril exclusivo para motociclistas. Ambos carriles quedan deshabilitados cuando los vientos superan los 15 m/s. El carril para automóviles impone una velocidad máxima de 50 km/h cuando la velocidad del viento supera los 15 m/s y quedan cerrados al tráfico cuando los vientos superan los 25 m/s. [2]
El puente atirantado de Tatara fue planeado originalmente como puente de colgante en 1973. En 1989, el diseño fue cambiado a un puente atirantado con el mismo vano. Al construir un puente atirantado, no se necesitaría una gran excavación para un anclaje, lo que reduciría el impacto ambiental en el área circundante. Las torres de acero tienen una altura de 220 metros y tienen forma de Y invertida. Los tramos laterales son 164,5 metros y 257,5 metros respectivamente, y también hay tres tramos de cable muy pequeños. [1]
La construcción del puente atirantado Tatara tardó un poco más de seis años y se realizó sin ningún accidente. Muchos avances tecnológicos fueron parte del diseño y pruebas del puente. [1]
EXPERIMENTO (ESCALA 1/50):
El experimento implicó cambiar la carga por ϒ, tal como se define ϒ (carga muerta + carga viva) sobre el modelo completo del puente. A medida que se aumentaba ϒ, el vano lateral del lado de la torre 2P fue al principio lo primero en plastificarse parcialmente, pero todo el sistema del puente permaneció intacto. Cuando ϒ aumentó a 2.00, el vano principal central cerca de 2P se pandeo, y este fue el factor determinante para la resistencia de todo el sistema. El análisis numérico llevado a cabo en condiciones casi idénticas a la situación experimental indicó que se formó una rótula plástica y todo el sistema se volvió inestable en el mismo lugar (cerca de 2P) cuando se aumentó ϒ a 2.15.
EXPERIMENTO (ESCALA 1/50):
El experimento implicó cambiar la carga por ϒ, tal como se define ϒ (carga muerta + carga viva) sobre el modelo completo del puente. A medida que se aumentaba ϒ, el vano lateral del lado de la torre 2P fue al principio lo primero en plastificarse parcialmente, pero todo el sistema del puente permaneció intacto. Cuando ϒ aumentó a 2.00, el vano principal central cerca de 2P se pandeo, y este fue el factor determinante para la resistencia de todo el sistema. El análisis numérico llevado a cabo en condiciones casi idénticas a la situación experimental indicó que se formó una rótula plástica y todo el sistema se volvió inestable en el mismo lugar (cerca de 2P) cuando se aumentó ϒ a 2.15.
CONCLUSIONES:
ü El fallo local causado por la plastificación completa de algunos miembros críticos define la máxima capacidad de carga de los puentes. En general, para los puentes atirantados es necesario calcular el esfuerzo crítico (es decir, aquel en el que se produciría la inestabilidad elástica) para los diferentes modos de pandeo. Sólo el esfuerzo crítico más bajo es de importancia, ya que esto determinará el esfuerzo limitante que se puede aplicar, independientemente de cuánto más alto los demás esfuerzos críticos pueden ser.
ü Los resultados de la evaluación por pandeo utilizando análisis numéricos fueron similares a los resultados del ensayo experimental, tanto en la ubicación de la zona de pandeo como en la magnitud de la carga que lo produjo, siendo la magnitud de la carga encontrada en gabinete 7.5% mayor.
ü En puentes de gran vano las fuerzas axiales son una de las cargas más limitantes pues da lugar a problemas de pandeo del tablero cerca de las torres. Los axiles en el tablero aumentan a medida que nos acercamos a la torre debido a la componente horizontal acumulada de cada cable.
RECOMENDACIONES:
ü Elegir configuraciones de secciones transversales con alta capacidad de resistencia al pandeo para los elementos sometidos a flexo compresión, en las torres por ejemplo se prefieren las secciones tubulares cuadradas de concreto armado de alta resistencia y con el uso de postensado en la zona de anclaje de los tirantes.
ü Usar una adecuada disposición de los cables, lo cual implica una serie de consideraciones que dependen de los requisitos del puente, las condiciones del sitio y la apariencia estética. Con la configuración radial por ejemplo, todos los cables se conectan a la parte superior de la torre. Esta es una configuración de cable conveniente porque todos los cables tienen su inclinación máxima; por lo tanto, la cantidad de material requerido en la viga se reduce [3], sin embargo, esta configuración puede causar problemas de congestión y el detalle puede ser complejo. Siempre se debe de buscar que la componente horizontal de la reacción sea menor que la componente vertical, caso contrario se estaría induciendo fuertes cargas de compresión sobre el tablero del puente.
ü La evaluación de la estabilidad del pandeo global elástico de los puentes atirantados para la etapa preliminar de diseño puede ser realizada mediante métodos numéricos aproximados, como el método de energía [4], el método que toma como base a la analogía de tomar el tablero del puente como una viga-columna sobre una base elástica o a través del método de la evaluación de la rigidez vertical uniforme del modelo, proporcionada por los tirantes del tramo principal y reducida por la flexibilidad de los tirantes del tramo lateral [5]. Para la etapa final de diseño se recomienda la evaluación de la estabilidad del pandeo global inelástico a través de análisis de elementos finitos de no linealidad geométrica y de materiales a fin de optimizar la estructura con diseños más económicos del tablero y torres.
ü El pandeo de los puentes atirantados es un factor muy importante a tomar en cuenta, por lo que se debería de realizar ensayos experimentales en los casos de diseños muy optimizados donde en su evaluación a través de análisis numéricos se obtengan factores de carga cercanos a la unidad.
MISCELÁNEA:
ü El fallo local causado por la plastificación completa de algunos miembros críticos define la máxima capacidad de carga de los puentes. En general, para los puentes atirantados es necesario calcular el esfuerzo crítico (es decir, aquel en el que se produciría la inestabilidad elástica) para los diferentes modos de pandeo. Sólo el esfuerzo crítico más bajo es de importancia, ya que esto determinará el esfuerzo limitante que se puede aplicar, independientemente de cuánto más alto los demás esfuerzos críticos pueden ser.
ü Los resultados de la evaluación por pandeo utilizando análisis numéricos fueron similares a los resultados del ensayo experimental, tanto en la ubicación de la zona de pandeo como en la magnitud de la carga que lo produjo, siendo la magnitud de la carga encontrada en gabinete 7.5% mayor.
ü En puentes de gran vano las fuerzas axiales son una de las cargas más limitantes pues da lugar a problemas de pandeo del tablero cerca de las torres. Los axiles en el tablero aumentan a medida que nos acercamos a la torre debido a la componente horizontal acumulada de cada cable.
RECOMENDACIONES:
ü Elegir configuraciones de secciones transversales con alta capacidad de resistencia al pandeo para los elementos sometidos a flexo compresión, en las torres por ejemplo se prefieren las secciones tubulares cuadradas de concreto armado de alta resistencia y con el uso de postensado en la zona de anclaje de los tirantes.
ü Usar una adecuada disposición de los cables, lo cual implica una serie de consideraciones que dependen de los requisitos del puente, las condiciones del sitio y la apariencia estética. Con la configuración radial por ejemplo, todos los cables se conectan a la parte superior de la torre. Esta es una configuración de cable conveniente porque todos los cables tienen su inclinación máxima; por lo tanto, la cantidad de material requerido en la viga se reduce [3], sin embargo, esta configuración puede causar problemas de congestión y el detalle puede ser complejo. Siempre se debe de buscar que la componente horizontal de la reacción sea menor que la componente vertical, caso contrario se estaría induciendo fuertes cargas de compresión sobre el tablero del puente.
ü La evaluación de la estabilidad del pandeo global elástico de los puentes atirantados para la etapa preliminar de diseño puede ser realizada mediante métodos numéricos aproximados, como el método de energía [4], el método que toma como base a la analogía de tomar el tablero del puente como una viga-columna sobre una base elástica o a través del método de la evaluación de la rigidez vertical uniforme del modelo, proporcionada por los tirantes del tramo principal y reducida por la flexibilidad de los tirantes del tramo lateral [5]. Para la etapa final de diseño se recomienda la evaluación de la estabilidad del pandeo global inelástico a través de análisis de elementos finitos de no linealidad geométrica y de materiales a fin de optimizar la estructura con diseños más económicos del tablero y torres.
ü El pandeo de los puentes atirantados es un factor muy importante a tomar en cuenta, por lo que se debería de realizar ensayos experimentales en los casos de diseños muy optimizados donde en su evaluación a través de análisis numéricos se obtengan factores de carga cercanos a la unidad.
MISCELÁNEA:
Vista panorámica del modo principal de pandeo (autovalor mínimo) de un puente atirantado con disposición de cables tipo radial.
Puente peatonal atirantado que colapso durante el ensayo de la prueba de carga; con los planos as-build y los controles de calidad de los materiales se podría determinar a ciencia cierta si la causa fue el pandeo, pero observando la esbeltez de los tubos longitudinales del tablero y la ausencia de daños en los tirantes se puede suponer en primera instancia que la causa del colapso fue el pandeo.
REFERENCIAS:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tatara_Bridge [2] https://es.wikipedia.org/wiki/Gran_Puente_de_Tatara
[3] Podolny W. Scalzi J. Construction and design of cable-stayed bridges. John Wiley and Sons, New York, 1976.
[4] Man-Chung Tang, (M.ASCE), Vice Pres. and Chf. Engr.; Dyckerhoff & Widmann, Inc., New York, N.Y. Journal of the Structural Division, Vol. 102, Issue 9, Pg. 1675-1684, 1976.
[5] José J. Oliveira Pedro, António J. Reis. Simplified assessment of cable-stayed bridges buckling stability. Engineering Structures, Volume 114, Pg. 93–103, 2016.
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