Puente colgante

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Tipo de puente
El puente de suspensión más ocupado del mundo, que conecta Nueva York con el condado de Bergen, Nueva Jersey, es el puente de suspensión más ocupado del mundo, con 102 millones de vehículos anuales.

Un puente colgante es un tipo de puente en el que el tablero se cuelga debajo de cables de suspensión en tirantes verticales. Los primeros ejemplos modernos de este tipo de puente se construyeron a principios del siglo XIX. Los puentes colgantes simples, que carecen de tirantes verticales, tienen una larga historia en muchas partes montañosas del mundo.

Además del tipo de puente más comúnmente llamado puente colgante, que se trata en este artículo, existen otros tipos de puentes colgantes. El tipo cubierto aquí tiene cables suspendidos entre torres, con cables colgantes verticales que transfieren las cargas vivas y muertas de la plataforma debajo, sobre la cual cruza el tráfico. Esta disposición permite que la plataforma esté nivelada o que se arquee hacia arriba para obtener espacio libre adicional. Al igual que otros tipos de puentes colgantes, este tipo a menudo se construye sin el uso de cimbras.

Los cables de suspensión deben estar anclados en cada extremo del puente, ya que cualquier carga aplicada al puente se transforma en una tensión en estos cables principales. Los cables principales continúan más allá de los pilares hasta los soportes a nivel de la cubierta y continúan hasta las conexiones con anclajes en el suelo. La calzada está sostenida por cables o varillas de suspensión verticales, llamados colgadores. En algunas circunstancias, las torres pueden asentarse en un risco o en el borde de un cañón donde el camino puede continuar directamente hacia el tramo principal; de lo contrario, el puente generalmente tendrá dos tramos más pequeños, que se extienden entre cualquiera de los dos pilares y la carretera, que puede estar sostenido por tirantes o su propia armadura. En este último caso, habrá muy poco arco en los cables principales externos.

Historia

El puente de Manhattan, que conecta Manhattan y Brooklyn en la ciudad de Nueva York, abrió en 1909 y se considera el precursor de puentes de suspensión modernos; su diseño sirvió como modelo para muchos de los puentes de suspensión de larga duración alrededor del mundo.

Los primeros puentes colgantes eran cuerdas colgadas a través de un abismo, con una plataforma posiblemente al mismo nivel o colgada debajo de las cuerdas de modo que la cuerda tuviera forma de catenaria.

Precursora

(feminine)

El siddha tibetano y constructor de puentes Thangtong Gyalpo originó el uso de cadenas de hierro en su versión de puentes colgantes simples. En 1433, Gyalpo construyó ocho puentes en el este de Bután. El último puente encadenado superviviente de Gyalpo fue el puente Thangtong Gyalpo en Duksum en ruta a Trashi Yangtse, que finalmente fue arrastrado por las aguas en 2004. Los puentes de cadenas de hierro de Gyalpo no incluían un puente de plataforma suspendida, que es el estándar en todos los puentes colgantes modernos en la actualidad. En cambio, tanto la barandilla como la capa para caminar de los puentes de Gyalpo usaban cables. Los puntos de tensión que llevaba la regla fueron reforzados por las cadenas de hierro. Antes del uso de cadenas de hierro, se cree que Gyalpo usaba cuerdas de sauces retorcidos o pieles de yak. Es posible que también haya usado un paño bien atado.

Puentes de cadena

El primer puente colgante de cadenas de hierro del mundo occidental fue el puente Jacob's Creek (1801) en el condado de Westmoreland, Pensilvania, diseñado por el inventor James Finley. El puente de Finley fue el primero en incorporar todos los componentes necesarios de un puente colgante moderno, incluida una plataforma suspendida que colgaba de vigas. Finley patentó su diseño en 1808 y lo publicó en la revista de Filadelfia, The Port Folio, en 1810.

An early plan for the chain bridge over the Menai Strait near Bangor, Wales, completed in 1826

Los primeros puentes de cadena británicos incluyeron Dryburgh Abbey Bridge (1817) y Union Bridge de 137 m (1820), con luces que aumentaron rápidamente a 176 m con Menai Bridge (1826), "el primer puente colgante moderno importante&# 34;. El primer puente de las cadenas en los territorios de habla alemana fue el Puente de las Cadenas en Nuremberg. El puente colgante de hierro de Sagar con un tramo de 200 pies (también llamado puente Beose) fue construido cerca de Sagar, India durante 1828-1830 por Duncan Presgrave, Mint and Assay Master. El puente colgante de Clifton (diseñado en 1831, terminado en 1864 con un tramo central de 214 m), es similar al puente de Sagar. Es uno de los más largos del tipo de cadena de arco parabólico. El puente colgante de Marlow actual fue diseñado por William Tierney Clark y fue construido entre 1829 y 1832, reemplazando un puente de madera río abajo que se derrumbó en 1828. Es el único puente colgante que cruza el Támesis sin mareas. El Puente de las Cadenas Széchenyi (diseñado en 1840, inaugurado en 1849), que cruza el río Danubio en Budapest, también fue diseñado por William Clark y es una versión a mayor escala del Puente Marlow.

Una variación interesante es Thornewill y Warham's Ferry Bridge en Burton-on-Trent, Staffordshire (1889), donde las cadenas no están unidas a los pilares como es habitual, sino que están unidas a las vigas principales, que están así en compresión. Aquí, las cadenas están hechas de placas planas de hierro forjado, de ocho pulgadas (203 mm) de ancho por una pulgada y media (38 mm) de grosor, remachadas entre sí.

Alambre-cable

El primer puente colgante de alambre fue el Puente Araña en las Cataratas de Schuylkill (1816), un puente peatonal modesto y temporal construido tras el colapso del cercano Puente de las Cadenas de James Finley en las Cataratas de Schuylkill (1808). La luz de la pasarela era de 124 m, aunque su tablero sólo tenía 0,45 m de ancho.

El desarrollo de los puentes colgantes de alambre y cable se remonta al puente colgante temporal simple en Annonay construido por Marc Seguin y sus hermanos en 1822. Se extendía solo 18 m. El primer puente colgante permanente de cable de alambre fue el Puente Saint Antoine de Guillaume Henri Dufour en Ginebra de 1823, con dos vanos de 40 m. El primero con cables ensamblados en el aire con el método moderno fue el Grand Pont Suspendu de Joseph Chaley en Friburgo, en 1834.

En los Estados Unidos, el primer gran puente colgante de alambre-cable fue el Wire Bridge en Fairmount en Filadelfia, Pensilvania. Diseñado por Charles Ellet Jr. y terminado en 1842, tenía una luz de 109 m. El puente colgante de las Cataratas del Niágara de Ellet (1847–48) fue abandonado antes de su finalización. Se utilizó como andamio para el ferrocarril de dos pisos y el puente para carruajes de John A. Roebling (1855).

El puente Otto Beit (1938–1939) fue el primer puente colgante moderno fuera de los Estados Unidos construido con cables de alambre paralelos.

Estructura

Componentes principales del puente

Las líneas del puente de Severn

Dos torres/pilares, dos cables de suspensión, cuatro anclajes de cables de suspensión, múltiples cables de suspensión, la plataforma del puente.

Análisis estructural

Comparación de un catenario (curva dotada negra) y una parabola (curva sólida roja) con el mismo lazo y sag. Las principales fuerzas en un puente de suspensión de cualquier tipo son la tensión en los cables y la compresión en los pilares. Ya que casi toda la fuerza sobre los pilares es verticalmente hacia abajo, y el puente también está estabilizado por los cables principales, los pilares se pueden hacer bastante esbeltos, como en el Puente de Severn, en la frontera entre Gales y Inglaterra. En un puente de cubierta suspendido, los cables suspendidos a través de torres mantienen la cubierta de carretera. El peso es transferido por los cables a las torres, que a su vez transfieren el peso al suelo.
Más detalles
El catenario representa el perfil de un puente de suspensión simple o el cable de un puente de suspensión de cubierta suspendida en el que sus cubiertas y colgadores tienen masa insignificante en comparación con su cable. La parabola representa el perfil del cable de un puente de suspensión de cubierta suspendida en el que sus cables y colgadores tienen masa insignificante en comparación con su cubierta. El perfil del cable de un puente de suspensión real con el mismo lazo y sag se encuentra entre las dos curvas.

Los cables principales de un puente colgante formarán una catenaria; en cambio, los cables formarán una parábola si se supone que tienen peso cero. Se puede ver la forma a partir del aumento constante de la pendiente del cable con la distancia lineal (plataforma), este aumento de la pendiente en cada conexión con la plataforma proporciona una fuerza neta de apoyo hacia arriba. Combinado con las restricciones relativamente simples impuestas sobre el tablero real, eso hace que el puente colgante sea mucho más simple de diseñar y analizar que un puente atirantado en el que el tablero está comprimido.

Comparación con puente atirantado

Los puentes atirantados y los puentes colgantes pueden parecer similares, pero son bastante diferentes en principio y en su construcción.

En los puentes colgantes, grandes cables principales (normalmente dos) cuelgan entre las torres y se anclan en cada extremo al suelo. Los cables principales, que pueden moverse libremente sobre los apoyos de las torres, soportan la carga del tablero del puente. Antes de instalar la plataforma, los cables están bajo tensión por su propio peso. A lo largo de los cables principales, cables o varillas más pequeños se conectan a la plataforma del puente, que se levanta en secciones. Mientras se hace esto, la tensión en los cables aumenta, al igual que la carga viva del tráfico que cruza el puente. La tensión en los cables principales se transfiere al suelo en los anclajes y por compresión hacia abajo en las torres.

En los puentes atirantados, las torres son las principales estructuras portantes que transmiten las cargas del puente al suelo. A menudo se utiliza un enfoque en voladizo para soportar la plataforma del puente cerca de las torres, pero las longitudes más alejadas de ellas están soportadas por cables que van directamente a las torres. Por diseño, todas las fuerzas horizontales estáticas del puente atirantado están equilibradas para que las torres de soporte no tiendan a inclinarse o deslizarse y, por lo tanto, solo deben resistir las fuerzas horizontales de las cargas vivas.

Ventajas

Un puente de suspensión se puede hacer con materiales simples como madera y cuerda de alambre común.

Desventajas

Variaciones

Subestimado

Micklewood Puente como ilustrado por Charles Drewry, 1832
Squibb Park Bridge, Brooklyn, construido 2013
Cables de cadena Eyebar de puente de suspensión Clifton
El Puente Yichang, un puente de suspensión de cubiertas de placa, sobre el río Yangtze en China

En un puente colgante de tramo inferior, también llamado puente atirantado bajo cubierta, los cables principales cuelgan completamente debajo de la cubierta del puente, pero aún están anclados al suelo de manera similar al tipo convencional. Se han construido muy pocos puentes de esta naturaleza, ya que el tablero es intrínsecamente menos estable que cuando está suspendido debajo de los cables. Los ejemplos incluyen el Pont des Bergues de 1834 diseñado por Guillaume Henri Dufour; el puente Micklewood de James Smith; y una propuesta de Robert Stevenson para un puente sobre el río Almond cerca de Edimburgo.

El acueducto de Delaware de Roebling (iniciado en 1847) consta de tres secciones sostenidas por cables. La estructura de madera esencialmente oculta los cables; y de una vista rápida, no es evidente de inmediato que es incluso un puente colgante.

Tipos de cables de suspensión

Un antiguo puente de suspensión de tuberías de vapor sobre el lago Näsijärvi en Tampere, Finlandia, en 1979

Los principales cables de suspensión de los puentes más antiguos solían estar hechos de una cadena o barras unidas, pero los cables de los puentes modernos están hechos de varias hebras de alambre. Esto no solo agrega fuerza, sino que mejora la confiabilidad (a menudo llamada redundancia en términos de ingeniería) porque la falla de algunos hilos defectuosos en los cientos que se utilizan representa una amenaza muy pequeña de falla, mientras que un solo enlace defectuoso o barra ocular puede causar la falla de todo un puente. (Se descubrió que la falla de una sola barra ocular fue la causa del colapso del puente Silver Bridge sobre el río Ohio). formulados uno por uno en el aire desde una pasarela temporal.

Terminaciones de cable de suspensión

Los enchufes vertidos se utilizan para hacer una terminación de cable permanente de alta resistencia. Se crean insertando el cable de suspensión (en los soportes de la plataforma del puente) en el extremo angosto de una cavidad cónica que está orientada en línea con la dirección prevista de tensión. Los cables individuales se extienden dentro del cono o "capucha", y luego se llena el cono con soldadura de plomo-antimonio-estaño fundido (Pb80Sb15Sn5).

Tipos de estructuras de cubierta

La mayoría de los puentes colgantes tienen estructuras de armaduras abiertas para soportar el lecho de la carretera, particularmente debido a los efectos desfavorables del uso de vigas de placa, descubiertas en el colapso del puente del puente Tacoma Narrows (1940). En la década de 1960, los desarrollos en la aerodinámica de los puentes permitieron la reintroducción de estructuras de placas como vigas cajón poco profundas, vistas por primera vez en el puente Severn, construido entre 1961 y 1966. En la imagen del puente Yichang, observe el borde de entrada muy afilado y las vigas inferiores inclinadas en el puente colgante que se muestra. Esto permite utilizar este tipo de construcción sin el peligro de desprendimiento de vórtices y los consiguientes efectos aeroelásticos, como los que destruyeron el puente original de Tacoma Narrows.

Fuerzas

En cualquier puente operan tres tipos de fuerzas: la carga muerta, la carga viva y la carga dinámica. La carga muerta se refiere al peso del propio puente. Como cualquier otra estructura, un puente tiene tendencia a colapsar simplemente debido a las fuerzas gravitatorias que actúan sobre los materiales de los que está hecho el puente. La carga viva se refiere al tráfico que se mueve a través del puente, así como a los factores ambientales normales, como los cambios de temperatura, las precipitaciones y los vientos. La carga dinámica se refiere a factores ambientales que van más allá de las condiciones climáticas normales, factores como ráfagas repentinas de viento y terremotos. Los tres factores deben tenerse en cuenta al construir un puente.

Uso distinto de carretera y ferrocarril

Pasarela con cable en Dallas Fort Worth Aeropuerto Terminal D

Los principios de suspensión utilizados a gran escala también aparecen en contextos menos dramáticos que los puentes de carretera o ferroviarios. La suspensión de cables livianos puede resultar menos costosa y parecer más elegante para una bicicleta o un puente peatonal que los fuertes soportes de vigas. Un ejemplo de esto es el puente Nescio en los Países Bajos, y el puente peatonal suspendido Riegelsville de 1904 diseñado por Roebling que cruza el río Delaware en Pensilvania. El puente colgante peatonal más largo, que cruza el río Paiva, Geoparque Arouca, Portugal, se inauguró en abril de 2021. El puente de 516 metros cuelga 175 metros sobre el río.

Cuando un puente de este tipo atraviesa un espacio entre dos edificios, no hay necesidad de construir torres especiales, ya que los edificios pueden anclar los cables. La suspensión por cable también puede verse aumentada por la rigidez inherente de una estructura que tiene mucho en común con un puente tubular.

Secuencia de construcción (tipo de cable trenzado)

El puente de suspensión Little Belt en Dinamarca se abrió en 1970.
Puente de Manhattan en Nueva York con cubierta en construcción desde las torres hacia afuera.
Cables de altavoz y banda de cable tirante en el puente Golden Gate en San Francisco. El diámetro principal del cable es de 36 pulgadas (910 mm), y el diámetro del cable del tirante es de 3,5 pulgadas (89 mm).
Puente de la Puerta de los Leones con cubierta en construcción desde el centro del lapso

Los puentes colgantes típicos se construyen usando una secuencia que generalmente se describe a continuación. Dependiendo de la longitud y el tamaño, la construcción puede demorar entre un año y medio (la construcción del puente Tacoma Narrows original tomó solo 19 meses) hasta una década (la construcción del puente Akashi-Kaikyō comenzó en mayo). 1986 y se inauguró en mayo de 1998, un total de doce años).

  1. Donde las torres se fundan en los muelles submarinos, los caisson son hundidos y cualquier fondo blando se excava para una fundación. Si la roca base es demasiado profunda para ser expuesta por la excavación o el hundimiento de un caisson, los pilings son conducidos a la roca base o en suelos duros de sobrecarga, o una gran almohadilla de hormigón para distribuir el peso sobre suelos menos resistentes puede ser construido, preparando primero la superficie con una cama de grava compactada. (Tal almohadilla también puede dar cabida a los movimientos de una falla activa, y esto se ha implementado sobre las bases del puente Rio-Antirio con soporte por cable.) Los muelles se extienden entonces por encima del nivel de agua, donde están cubiertos con bases pedestales para las torres.
  2. Cuando las torres se fundan en tierra seca, se utilizan excavaciones profundas o pilings.
  3. Desde la fundación de la torre, torres de columnas individuales o múltiples se levantan utilizando hormigón armado de alta resistencia, piedra o acero. El hormigón se utiliza con más frecuencia en la construcción moderna de puentes de suspensión debido al alto costo del acero.
  4. Grandes dispositivos llamados sillas, que cargará los cables de suspensión principales, se colocan sobre las torres. Típicamente de acero fundido, también se pueden fabricar usando formas rematadas, y están equipadas con rodillos para permitir que los cables principales se muevan bajo construcción y cargas normales.
  5. Anchorages se construyen, generalmente en tándem con las torres, para resistir la tensión de los cables y formar como el sistema de anclaje principal para toda la estructura. Estos suelen estar anclados en roca de buena calidad, pero pueden consistir en pesos muertos de hormigón armado masivo dentro de una excavación. La estructura de anclaje tendrá múltiples aperturas oculares encerrado dentro de un espacio seguro.
  6. Pasillos suspendidos temporales, llamados pasarelas, se levantan luego utilizando un conjunto de cables guía colocados en su lugar a través de winches colocados en la cima de las torres. Estas pasarelas siguen la curva establecida por los diseñadores de puentes para los cables principales, en un camino matemáticamente descrito como arco catenario. Las pasarelas típicas suelen estar entre ocho y diez pies de ancho y se construyen utilizando grata de alambre y listones de madera.
  7. Gantries se colocan sobre las pasarelas, que soportarán los principales rodillos de cable. Luego, se instalan cables adjuntos a winches y, a su vez, se instalan los principales dispositivos de giro por cable.
  8. El alambre de alta resistencia (típicamente 4 o 6 medidores de alambre galvanizado de acero), se tira en un bucle por poleas en el viajero, con un extremo fijado en un anclaje. Cuando el viajero llega al anclaje opuesto, el bucle se coloca sobre una barra de anclaje abierta. A lo largo de la pasarela, los trabajadores también tiran los cables de cable a su tensión deseada. Esto continúa hasta que se complete un paquete, llamado "meta de cable" y se empaqueta temporalmente con alambre de acero inoxidable. Este proceso se repite hasta que se complete el cable final. Los trabajadores luego eliminan las envolturas individuales en las hebras de cable (durante el proceso de giro, la forma del cable principal se asemeja estrechamente a un hexágono), y luego todo el cable se comprime por una prensa hidráulica itinerante en un cilindro estrechamente empaquetado y se envuelve con alambre adicional para formar la sección circular final. El alambre utilizado en la construcción del puente de suspensión es un alambre de acero galvanizado que ha sido recubierto con inhibidores de la corrosión.
  9. En puntos específicos a lo largo del cable principal (cada uno es la distancia exacta horizontalmente en relación con los siguientes) los dispositivos llamados "bandas de cable" se instalan para llevar cuerdas de alambre de acero llamadas Cables de altavoces. Cada cable de tirante está diseñado y cortado a longitudes precisas, y se enrollan sobre las bandas de cable. En algunos puentes, donde las torres están cerca o en la orilla, los cables de tirante pueden ser aplicados solamente al lazo central. Los primeros cables de tirante fueron equipados con joyas de zinc y un conjunto de lavados de acero, que formaron el soporte para la cubierta. Los cables de tirantes modernos llevan un ajuste tipo grillete.
  10. Se utilizan mangueras especiales de elevación pegadas a los tirantes o desde los cables principales para levantar secciones prefabricadas de la cubierta de puentes al nivel adecuado, siempre que las condiciones locales permitan llevar las secciones por debajo del puente por barcaje u otros medios. De lo contrario, se puede utilizar un derrick cantilever itinerante para extender la cubierta una sección a la vez comenzando desde las torres y trabajando hacia fuera. Si la adición de la estructura de cubierta se extiende desde las torres las porciones terminadas de la cubierta se lanzarán hacia arriba bastante hacia arriba, ya que no hay fuerza descendente en el centro del lapso. Una vez terminada la cubierta, la carga agregada arrastrará los cables principales a un arco matemáticamente descrito como una parabola, mientras que el arco de la cubierta será como el diseñador previsto – generalmente un arco ascendente suave para la limpieza agregada si sobre un canal de envío, o plano en otros casos, como un lazo sobre un cañón. Los soportes de suspensión arqueados también dan a la estructura más rigidez y fuerza.
  11. Con la finalización de la estructura primaria se instalan o completan diversos detalles como iluminación, barandillas, pintura de acabado y pavimento.

Tramos más largos

Los puentes colgantes generalmente se clasifican por la longitud de su tramo principal. Estos son los diez puentes con los tramos más largos, seguidos de la longitud del tramo y el año en que el puente se abrió al tráfico:

PuentePaísDuraciónAño
Çanakkale 1915 PuenteTurquía2023 m (6637 pies)2022
Akashi Kaikyō BridgeJapón1991 m (6532 pies)1998
Puente YangsigangChina1700 m (5577 pies)2019
Puente de XihoumenChina1650 m (5413 pies)2009
Great Belt BridgeDinamarca1624 m (5328 pies)1998
Puente de Osman GaziTurquía1550 m (5085 pies)2016
Yi Sun-sin bridgeCorea del Sur1545 m (5069 pies)2012
Runyang BridgeChina1490 m (4888 pies)2005
Cuarto puente de Nanjing YangtzeChina1418 m (4652 pies)2012
Humber BridgeReino Unido1410 m (4626 pies)1981
Yavuz Sultan Selim BridgeTurquía1408 m (4619 pies)2016

Otros ejemplos

(Cronológico)

Colapsos notables