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PUENTES COLGANTES PARA DUCTOS

RAÍCES Y TENDENCIAS

RESUMEN Para el tendido del Oleoducto Comodoro Rivadavia-Buenos Aires en 1948 resultó necesaria la construcción de un puente colgante, de 390 m. de luz libre entre pilas, que permitiera el cruce aéreo del Río Negro. La ejecución de esta importante obra colocó, en ese momento, a la Ingeniería Argentina en la vanguardia de la concepción y ejecución de esta tipología de puentes. También constituyó el inicio de un prolongado y fructífero camino de realizaciones en este campo, desarrolladas principalmente por ingenieros argentinos, tanto en nuestro país como en otros países de América del Sur. Este trabajo presenta una mirada retrospectiva sobre algunas realizaciones nacionales e internacionales relevantes de esta tipología de puentes, desde mediados del siglo XX hasta la actualidad. Se exponen sus principales características, sintetizando la evolución de las soluciones adoptadas, identificando sus tendencias y focalizando en el análisis de los principales parámetros que gobiernan el diseño estructural y la construcción. ABSTRACT The construction of the Comodoro Rivadavia-Buenos Aires Gas Pipeline in 1948 required the erection of a 390-meter span suspension bridge, to allow for the Río Negro aerial pipeline crossing. At that time, this very important bridge engineering achievement led the Argentinean Engineering to the avant-garde of this bridge type state of the art. It has been also the beginning of a long term and fruitful path of achievements in this field, developed mainly by Argentine engineers, both in our country and in other countries of South America. This paper shows a retrospective looking to some relevant national and international pipeline suspension bridges, from the middle of the 20th century to the present time. Main characteristics and design evolution are shown, identifying trends and focusing in the main parameters governing the structural design and construction.

González, José Andrés; Ing. Civil UB 

Venero, Alberto Ing. en Construcciones UNLP 

 

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1.- INTRODUCCIÓN - ALGO DE HISTORIA - ÍCONOS DEL DISEÑO Desde las pasarelas incaicas precolombinas hasta los modernos puentes carreteros y ferroviales de luces hoy próximas a superar los 2000 m, los puentes colgantes (Suspension Bridges) siempre han producido cierta fascinación, tanto a los ingenieros estructurales como al público en general. En esta atractiva tipología se encuadran también los Puentes Colgantes para Ductos (Suspension Pipeline Bridges), franja del arte que no está mayormente difundida en nuestro medio y a la que está dedicado el presente trabajo. La necesidad de este tipo de puentes, y por lo tanto las realizaciones correspondientes, surgen con el desarrollo de los grandes oleoductos y gasoductos para transportar hidrocarburos desde remotos lugares de extracción hasta centros de procesamiento y distribución. A lo largo de sus trazas, estos ductos encuentran diferentes obstáculos naturales como cursos de agua y valles profundos, que deben atravesar empleando frecuentemente puentes colgantes. La búsqueda de antecedentes muestra que las primeras realizaciones relevantes de este tipo de puentes se producen en EE. UU., coincidiendo con la gran expansión de la industria petrolera. Ellas datan de la década de 1920, de manera que el panorama de realizaciones hasta hoy abarca un período de unos 100 años. Durante los primeros 30 o 40 años del período mencionado, los diseñadores se desempeñaban en un escenario con modesto intercambio internacional de información técnica (realizaciones) y muy limitados recursos de análisis y cálculo estructural (la estática gráfica era dominante). En esa etapa, para los diseñadores de puentes colgantes de ductos, las referencias inspiradoras seguramente fueron los grandes puentes colgantes carreteros realizados en los Estados Unidos por Ammann, Steinman, Strauss y otros, entre 1900 y 1960. Las luces de estos puentes arrancaban en los 400 m, llegando hasta los 1300 m. Entre ellos, el puente George Washington Bridge seguramente resultó una referencia importante.

Figura 1. Grand Tower Bridge

 

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Es natural, entonces, que los puentes colgantes para ductos (en adelante PCD) realizados en esas primeras décadas exhibieran importantes reminiscencias de los puentes colgantes carreteros. Para iniciar la mirada de este trabajo sobre las raíces y tendencias de los puentes colgantes para ductos, mencionaremos dos realizaciones icónicas a nivel mundial: La primera, representativa de las raíces, es el Grand Tower Bridge (ver Figura 1) finalizado en 1955 para el cruce del gasoducto Texas-Illinois (2x30”) sobre el río Mississippi. Su luz de 659 m representó durante muchos años el récord mundial para esta tipología (recién superado en 1972). Hoy continua en servicio. Las características de su diseño representaron el “estado del arte” de su época. Así lo atestiguan numerosos puentes de EE. UU. y Canadá que repiten la tipología del Grand Tower (Fulton Pipeline Bridge, Tanana River Pipeline Bridge, Melville Pipeline Bridge, Jefferson Pipeline Bridge, Plattsmouth Pipeline Bridge, etc.). Es aquí notoria la presencia de concepciones típicas de los puentes colgantes carreteros. Como veremos más adelante, algunas de esas concepciones (que resultaban imperativas para los puentes carreteros) admitían optimización para los puentes de ductos. Dicha optimización del diseño se fue logrando en los años posteriores hasta llegar finalmente a conformar un perfil propio para estos puentes, en lo que podríamos llamar su diseño “moderno”.

Figura 2. Hegigio Gorge Pipeline Bridge

 

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La segunda obra icónica es un puente contemporáneo construido en Papúa Nueva Guinea hace relativamente poco y que – según entendemos - recoge las tendencias modernas del diseño. Se trata del puente Hegigio Gorge Pipeline Bridge (ver Figura 2) de 470 m de luz, construido en 2005 para permitir el cruce del oleoducto y gasoducto Mananda-Agogo a 393 m de altura por encima del río Hegigio, salvando un profundo e impresionante desfiladero por donde corre el mencionado curso de agua. Fue por varios años el puente (de cualquier tipo) más alto del mundo, hasta ser superado en 2009 por una realización china. Nos resulta muy grato expresar que la Ingeniería Argentina no ha sido una mera espectadora de las realizaciones en este campo. Muy por el contrario, desde mediados del siglo pasado ha concretado significativos aportes y contribuciones a esta rama del diseño y construcción de puentes colgantes. Este carácter pionero y vanguardista queda incuestionablemente demostrado por el puente de 390 m de luz construido en 1948 para permitir el cruce del gasoducto (1x10”) Comodoro Rivadavia – Buenos Aires sobre el Río Negro (ver Figura 3), en proximidad de Gral. Conesa (R.N.). El mencionado gasoducto, de 1605 km de longitud total (en su época el segundo del mundo en longitud) colocó a Argentina entre los 3 países con gasoductos más importantes del mundo, junto con Estados Unidos y Rusia.

Figura 3. Puente sobre el Río Negro Se hace notar que este puente argentino se concretó 7 años antes que el mencionado e icónico Grand Tower Bridge. En las figuras 4a y 4b puede apreciarse la notable semejanza en el diseño de las pilas de ambas realizaciones, representativo de las concepciones de la época.

 

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2.- DIFERENCIAS CON LOS PUENTES COLGANTES CARRETEROS Y FERROVIALES

Según se ha dicho, las realizaciones de puentes colgantes carreteros tuvieron gran influencia en la primera época del diseño de puentes para ductos. Pero posteriormente estos últimos fueron adquiriendo su propio perfil; para comprender esa evolución es necesario identificar las cuestiones que diferencian ambos casos. Desde el punto de vista estructural, las diferencias relevantes se originan principalmente en las características y escala de las cargas. Los puentes colgantes carreteros o ferroviales, cuyo empleo hoy resulta económicamente competitivo en rangos de luces mayores a los 800 m, requieren ineludiblemente un tablero que, además de superficie de tránsito, funcione como viga de rigidez tanto en el plano vertical como en el horizontal. Si bien, en los rangos de luces de dichos puentes carreteros, la carga permanente (Dead Load) es dominante y su distribución longitudinal suele ser bastante uniforme, las cargas de utilización (Live Load) de ubicación variable imponen un tablero con importante resistencia y rigidez flexional. Dicho tablero proporciona también las necesarias resistencia y rigidez frente a las acciones horizontales tales como viento y sismo. El caso de los puentes colgantes para ductos es algo diferente. La carga permanente está distribuida longitudinalmente de manera sensiblemente uniforme y constituye prácticamente el 100% de la carga vertical total. La carga viva vertical es, en general, despreciable a los fines prácticos. De esta manera, los cables principales - de disposición parabólica - poseen precisamente la configuración funicular de las cargas verticales. Ello posibilita, en muchos casos, prescindir total o casi totalmente de un tablero que aporte rigidez en el plano vertical. Respecto a la magnitud de las cargas verticales, obviamente en los puentes para ductos es sensiblemente inferior que en los carreteros. a.- Pila del Pte. S/ Río Negro b.- Pila del Pte. Grand Tower Bridge  

Figura 4

 

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No existiendo tablero, la resistencia y rigidez horizontal frente a acciones de viento o sismo se logra mediante otro conjunto secundario de cables, dispuestos de manera horizontal o - mejor aún - sub-horizontal. Este sistema de cables secundarios o de arriostramiento horizontal, generalmente consiste en dos cables parabólicos con curvaturas opuestas, uno a cada lado del puente. Cuando no resulta factible que dichos cables secundarios mantengan su directriz parabólica hasta encontrar puntos de anclaje en las márgenes, se suelen agregar a las pilas brazos horizontales para generar un cambio en la dirección de dichos cables y reorientarlos hacia puntos de anclaje más cercanos al eje del puente (ver figura 4). Estos brazos laterales aportan un aspecto singular y llamativo, solo presente en este tipo de puentes. En los puentes carreteros, generalmente el tablero está suspendido tanto en el tramo central como en los tramos laterales, cuyos cables principales son también entonces parabólicos. En los puentes de ductos en cambio, no es frecuente que la tubería esté suspendida de los cables principales fuera de la luz central (se registran pocos casos). Ello conduce a que los tramos laterales del cable principal sean prácticamente rectilíneos (salvo la pequeña flecha debida al peso del propio cable solamente). 3.- EJEMPLOS EN SUDAMERICA No es el propósito de este trabajo presentar un inventario o catálogo exhaustivo de las realizaciones sudamericanas. Solamente se hará referencia a algunos puentes de diferentes épocas y lugares con el fin de ilustrar la evolución en Sudamérica de este tipo de estructuras. Para ello, es ineludible hacer mención a la destacada y sostenida actuación en el diseño y construcción de este tipo de puentes de la empresa Techint Ingeniería y Construcción, desde cuya Dirección de Ingeniería los autores han tenido participación directa en este tema. Dicha empresa, líder internacional en la construcción de ductos, tuvo a su cargo el diseño y construcción de numerosos puentes colgantes para ductos en Argentina, Colombia, Ecuador y Brasil. En este trabajo se hace referencia a los casos mencionados en la Tabla 1.

Tabla 1. Ya se ha mencionado al Puente sobre el Río Negro, que ocupa un sitial privilegiado. Probablemente el ingreso de las realizaciones argentinas al diseño según pautas modernas se haya producido en 1990 con el Puente s/ Río Tartagal, construido para Gas del Estado. Esta estructura de 250 m de luz (ver Figura 5) fue diseñada y

 

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calculada por el distinguido Ing. Pedro de Aguirre, cuyo reciente fallecimiento lamentamos. Él fue, sin duda, uno de los especialistas más experimentados en este campo; el presente trabajo es propicio para rendirle un merecido homenaje por sus contribuciones.

Figura 5. Esquema del Puente S/ Río Tartagal Las innovaciones incorporadas por el Puente S/ Río Tartagal, que se analizarán más adelante, fueron internacionalmente novedosas y generaron una línea de diseño tan optimizada, tanto desde la eficiencia estructural como desde la constructibilidad, que se fue consolidando en las posteriores realizaciones de la Compañía sin necesidad de mayores cambios de fondo. El tipo de diseño señalado dio lugar a varios puentes de distintas luces para importantes ductos construidos en las décadas siguientes, tanto en Colombia como en Ecuador. Un ejemplo de dichas realizaciones es el Puente S/ Río Quinindé en Ecuador, de 120 m de luz, proyectado y construido en 2002 para permitir el cruce fluvial de la tubería de 36” del Oleoducto de Crudos Pesados (ver Figura 6). El último proyecto relevante de un puente colgante para ducto, realizado desde la Dirección de Ingeniería de Techint, tuvo lugar en 2007. Se trata del Puente Itapemirim, de 150 m de luz, destinado a soportar la tubería del mineroducto Germano-Ubu en Brasil. Pese a haberse completado su Ingeniería de Detalle, lamentablemente no fue construido debido a una decisión de último momento del Comitente, quien optó por emplear un Cruce Subterráneo Dirigido en lugar del puente. En la Figura 7 puede apreciarse un esquema del modelo desarrollado para el cálculo de dicho puente.

 

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Figura 6. Puente S/ Río Quinindé

Figura 7. Modelo del Puente Itapemirim

X

Y

Z

 

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En la actualidad, se encuentran en fase de Ingeniería Básica un par de nuevos puentes, con luces de 190 m y 138 m, a construirse en Perú durante 2021.

4.- RANGOS DE LUCES Y FLECHAS

Cuando se superan las luces para las que resultan económicos los puentes para ductos tipo Viga, ya sean de alma llena o reticulada, comienza a ser competitivo el empleo de soluciones colgantes. En el caso de los puentes carreteros, entre las soluciones con vigas y las colgantes se intercalan los Puentes en Arco y los Puentes de Obenques. Dichas tipologías en general no han resultado ventajosas para ductos por razones de constructibilidad, costo y plazos. Naturalmente, hay excepciones, en particular cuando es necesario que el puente sea también transitable. Como ejemplo singular de solución en arco, construido en Chile, se menciona al Puente El Durazno cuya luz es de 110 m. Originalmente previsto solo para soportar un mineroducto, mientras se lo estaba diseñando el Comitente decidió incorporarle un tablero vehicular.

La tipología de Puente de Obenques (Cable Stayed Bridge) no ha tenido aplicación para los puentes de ductos. Los puentes de obenques requieren una viga horizontal para canalizar las fuerzas de compresión que impone la estática; desde el punto de vista funcional, dicha viga no es imprescindible en los puentes para ductos y generalmente se evita por economía. Entonces (salvo forzando el antieconómico agregado de un tablero funcionalmente no imprescindible), la única manera de implementar un puente de obenques para un ducto sería emplear a la propia tubería para canalizar las compresiones. Aun en el caso de tuberías de diámetro importante, en general ello se evita; se prefiere no agregar otras tensiones adicionales a la tubería además de las propias de su función, originadas por la presión interna del fluido conducido (con tensiones normalmente aprovechadas al máximo y cercanas al límite de fluencia). De esta manera se evita el eventual cambio de espesores de la tubería en la zona del puente, que generaría complicaciones de provisión, logística, etc.

De acuerdo con lo expuesto, los puentes de ductos mediante soluciones colgantes comienzan a ser ventajosos a partir de los 60 m de luz. Con relación a las máximas luces alcanzadas, se registra el caso del Pridneprovsk Pipeline Bridge en Ucrania (ver Figura 8), que cruza el río Dnieper mediante un vano de 720 m de luz.

En este amplio rango de luces, la mayor cantidad de realizaciones se encuentra entre los 100 y 250 m de luz.

 

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Figura 8. Pridneprovsk Pipeline Bridge.

La flecha f de los cables principales es el parámetro que, junto con la luz L, caracteriza a la configuración geométrica de los puentes colgantes. El valor nominal de f es el que corresponde a las cargas de operación normal y está referido a la temperatura media anual del sitio de emplazamiento.

La observación de las realizaciones internacionales permite apreciar que las flechas relativas f/L de los puentes existentes se encuentran comprendidas dominantemente entre el 8% y el 12% de la luz, con natural tendencia (según se verá), a que dicho porcentaje sea menor a medida que la luz aumenta.

La relación entre el máximo esfuerzo de tracción T en el cable y el valor f de la flecha está mostrado en el gráfico de la Figura 9, en formato adimensional. Puede apreciarse allí la notable eficiencia estructural de estos puentes colgantes: para flechas relativas cercanas al 14%, el adimensional T/qL está en el orden de 1.00. Esto significa que la carga vertical total del puente queda equilibrada por el cable parabólico con igual esfuerzo de tracción que el que tendría si dicha carga total “colgara” en una disposición vertical del cable.

 

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Figura 9. Pero, dado que en el costo del puente (además del cable) también participan significativamente las pilas, la optimización del conjunto requiere evitar que dichas pilas resulten demasiado altas; para ello se debe limitar la flecha. Esta cuestión adquiere más relevancia a medida que la luz se hace mayor.

Tampoco es conveniente reducir excesivamente la flecha ya que, según se ve en el gráfico de la Figura 9, para flechas relativas menores al 8% el esfuerzo en el cable tiende a aumentar drásticamente.

El balance adecuado se logra en el rango de flechas relativas mencionadas antes.

5.- MATERIALES

Naturalmente, los principales materiales componentes de los Puentes Colgantes para Ductos son los cables estructurales.

En estos puentes se emplean cables de acero galvanizado con elevada resistencia a rotura, normalmente de producción comercial standard. Esta es otra diferencia con los puentes carreteros, cuyos cables principales deben ser fabricados expresamente.

Aún para puentes de luces muy importantes, resulta factible conformar cables principales mediante haces (bundles) de hasta 3 o 4 cables comerciales cuyos diámetros no suelen superar los 60 mm.

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a.- Tipos de Cables Estructurales b.- Socket Pte. Qinindé. Colado de Zinc

Figura 10

Respecto al tipo de cables, pueden emplearse tanto Torones Estructurales (Structural Strand, ASTM A586) como Cables Estructurales (Structural Wire Rope, ASTM A 603), ver Figura 10a. Mientras sea posible, es recomendable emplear Torones, principalmente debido a su menor deformabilidad y mejor comportamiento frente a la corrosión. Pero si razones de disponibilidad, precio o plazo de entrega dificultan su empleo, pueden también emplearse los Cables Estructurales. En este caso, se requerirán mayores trabajos de pre-estiramiento previo al montaje.

Los cables principales de los Puentes Colgantes para Ductos están normalmente compuestos por haces de 2, 3, o 4 cables individuales paralelos. Ellos no se disponen en contacto, con el fin de minimizar la corrosión. Los elementos de fijación de las péndolas verticales se suelen aprovechar como mordazas distanciadoras que mantienen la geometría del haz.

No suele colocarse recubrimiento para protección anticorrosiva adicional, que queda exclusivamente confiada al galvanizado.

Los cables del sistema de arriostramiento contra viento, que siguen iguales pautas que los cables principales, suelen estar sometidos a esfuerzos considerablemente menores. Consecuentemente, su sección total es inferior.

Tanto en el desempeño estructural como en el costo, es de suma importancia destacar el papel esencial (y muchas veces subestimado) que juegan los medios de unión de

a. Torón Estructural 

b. Cable Estructural 

 

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los cables. Son los eslabones críticos, frecuentemente determinantes de la resistencia de la cadena.

Los cables principales y los cables contraviento ineludiblemente deben unirse mediante terminales especiales de acero forjado o fundido, denominados sockets. Ellos se instalan generalmente moldeando en sus cazoletas cónicas zinc fundido que cementa los alambres componentes del cable; la Figura 10b ilustra al respecto.

Los cables constitutivos de las péndolas (suspenders), cuyos diámetros están normalmente en el orden de los 12 a 19 mm, están sometidos a esfuerzos de mucha menor magnitud que los cables principales. Ello permite emplear uniones mediante lazos con guardacabos (thimbles) fijados con prensacables (clips o clamps).

Respecto a las torres de acero estructural que constituyen las pilas principales, se ha empleado clásicamente acero ASTM A36. Siguiendo la tendencia general en las estructuras metálicas, actualmente ha crecido el empleo de acero ASTM A572 Grado 50. Difícilmente se justifique emplear aceros de calidad superior.

No cabe hacer mayores consideraciones sobre los materiales de las cimentaciones, ya que ellos no requieren características especiales diferenciadas para este tipo de puentes.

6.- CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO Según se ha dicho, en sus primeras décadas los diseños de los PCD se inspiraron en los puentes carreteros y tendieron a imitar sus soluciones. Con el paso del tiempo, los proyectistas fueron advirtiendo que ciertos paradigmas podían cambiarse y de esa manera optimizar costos y plazos; ello condujo a soluciones estructuralmente más eficaces y constructivamente más simples, que se exponen continuación.

Por razones estructurales consistentes con su escala, en los puentes carreteros se emplean (casi invariablemente) las siguientes soluciones:

1. Cables principales continuos de extremo a extremo, apoyados sobre las pilas mediante un sillín o montura (saddle).

2. Pilas Empotradas en su base, tanto en el plano vertical longitudinal como en el transversal.

Estas disposiciones están reflejadas en el esquema estático que muestra la Figura 11 (arriba).

 

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Figura 11. Esquemas estáticos (semi-puente)

La solución mediante cable principal continuo, con empleo de sillín, es inevitable para el porte de los cables de un puente carretero. En los PCD puede, en cambio, sustituirse ventajosamente por uniones articuladas de los tramos de un mismo cable concurrentes a cada lado de la pila. La Figura 12 muestra ambas posibilidades.

a.- Solución con Sillín b.- Solución con Sockets

Figura 12

 

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Esta solución alternativa tiene una enorme importancia, ya que permite una gran simplificación constructiva en el tendido de los cables. Asimismo, genera una condición favorable para articular inferiormente la pila, cuestión que brinda también importantes ventajas estructurales y constructivas.

Desde el punto de vista del funcionamiento estructural, el empleo de una articulación inferior convierte a la pila en una biela, sometida exclusivamente a compresión por la acción de los cables principales. Se elimina entonces, en este elemento, la flexión de primer orden debida a la acción de los cables (en el plano vertical longitudinal).

Puede pensarse que la flexión en la pila no es mayormente importante, ya que en servicio los tiros del cable principal a cada lado de la pila serían teóricamente iguales y por lo tanto no generarían una resultante neta actuando perpendicularmente a la pila. Sin embargo, ello solo puede ocurrir al finalizar la construcción. Hasta llegar a dicha condición los estados transitorios durante el montaje pueden resultar determinantes del dimensionamiento a flexión de la pila. Una vez en servicio, las variaciones de temperatura y de carga en el ducto pueden causar desplazamientos horizontales en el coronamiento de la pila y sus correspondientes flexiones asociadas. Esta flexión incide negativamente en el dimensionamiento de la torre y de sus cimentaciones; el empleo de articulaciones permite evitarla.

En cuanto a condiciones cinemáticas, naturalmente el puente se vuelve más flexible en dirección longitudinal. Ello genera algunas ventajas para el comportamiento de la tubería y contribuye a que los períodos de sus modos de vibración se alarguen.

Desde el punto de vista constructivo, la articulación inferior permite una gran simplificación del montaje de la pila. Ello constituye tal vez la mayor ventaja, ya que resulta posible armar la torre en posición horizontal en el piso y luego verticalizarla pivotando sobre la articulación, mediante grúas de pequeño porte. Este procedimiento se ilustra mediante la Figura 13, correspondiente al montaje de puentes en Ecuador (similares al caso Quinindé).

Figura 13. Montaje de Puentes en Ecuador

 

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Entonces, las modificaciones ventajosas consisten en:

1. Cables principales discontinuos sobre la pila, unidos articuladamente a cada lado del coronamiento. Eliminación del sillín.

2. Pilas Articuladas en su base, en el plano vertical longitudinal. En el plano vertical transversal la estabilidad impone mantener el empotramiento.

El esquema estático correspondiente se expresa en la parte inferior de la Figura 11.

Dado que el ancho del puente definido por las tuberías es bastante reducido (no suele superar los 2500 mm), los haces de cables principales pueden acercarse entre si mucho más que en un puente carretero. Ello genera la oportunidad de dar a la pila la forma de A (vista en el plano transversal) con montantes inclinados, acompañando la trayectoria de los esfuerzos generados por las acciones transversales debidas a viento o sismo.

Generalmente los cables secundarios se solían disponer en un plano horizontal. Una disposición sub-horizontal, en la que el plano de cada cable forme un pequeño ángulo (del orden de 20º) con la horizontal permite que estos cables secundarios aporten también en la rigidez del puente en dirección vertical.

Las optimizaciones del diseño que se han mencionado fueron incorporadas a las realizaciones citadas en la Tabla 1, a partir del diseño del Puente S/ Río Tartagal.  

7.- CONCEPCIÓN - ANALISIS ESTRUCTURAL – MÉTODOS DE CÁLCULO

7.1.- ESTUDIOS DE IMPLANTACIÓN - ESTUDIOS BÁSICOS

Como en todo puente, su concepción, estudio de implantación y elección de la sección de cruce, son tal vez las actividades más demandantes en cuanto a decisiones de ingeniería y experiencia requerida.

Al inicio de la Ingeniería de un puente para ductos, generalmente se puede disponer de relevamientos topográficos y estudios geotécnicos razonables, realizados “ad hoc”.

Pero, en muchos casos estos puentes se diseñan para cruzar ríos en lugares remotos en los que no se dispone, en la etapa de diseño, de datos hidrológicos ni hidráulicos adecuados (aforo de caudales, niveles altimétricos asociados, etc.). No se puede, entonces, contar con curvas altura-caudal-recurrencia.

Los plazos necesarios para realizar estudios hidráulicos e hidrológicos frecuentemente son incompatibles con los exigentes cronogramas que usualmente se establecen para la ingeniería y construcción del ducto, pero esta circunstancia no suele detener el proceso de ingeniería. Si este es el caso, el problema que deben enfrentar los proyectistas del puente es muy serio y difícil de resolver

 

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satisfactoriamente. Cuando no resulta posible contar con datos hidrológico-hidráulicos precisos es menester proceder tomando amplios recaudos en cuestiones de niveles, ubicación de pilas, socavación, etc.

7.2.- ANÁLISIS ESTRUCTURAL – MÉTODOS DE CÁLCULO

Estos puentes presentan normalmente un funcionamiento global sumamente claro y sencillo, “casi” estáticamente determinado, tanto frente a acciones verticales como horizontales. Ello permite la realización de diseños conceptuales y cálculos estáticos preliminares empleando solamente ecuaciones elementales, tanto en el plano vertical como en el horizontal.

A mediados y fines del siglo XX el mencionado tipo de evaluaciones se consideraba suficiente para la Ingeniería de Detalle. El acierto de dicho criterio lo confirma el comportamiento, generalmente satisfactorio, de las realizaciones de esas épocas, que se han mantenido muchos años en servicio. Podemos aquí citar el caso del Puente S/ Río Tartagal; sus sistemas de cables fueron enteramente calculados empleando la ecuación de estado de la parábola elástica, que relaciona las cargas, temperaturas, longitudes y flechas del cable en dos estados diferentes cualesquiera.

Naturalmente, las herramientas computacionales hoy disponibles permiten detalladas modelaciones tridimensionales, generalmente no lineales, mucho más sofisticadas y precisas. Ello no ha incidido tanto en la optimización de los diseños, pero si en el mejor conocimiento y predicción del comportamiento, especialmente cinemático y dinámico.

Los métodos para el análisis del comportamiento de las estructuras de cables evolucionaron partiendo del empleo de las mencionadas ecuaciones de los hilos extensibles y, pasando por la modelación mediante barras elásticas, llegaron a la tecnología actual mediante el Método de Elementos Finitos. Hoy es común el empleo de elementos tipo cable, de complejo comportamiento no lineal. Ponemos como ejemplo el caso del puente Itapemirim, que fue modelado de dicha manera y resuelto mediante el software GTStrudl. Es interesante señalar que los resultados finales mostraron una gran concordancia con el dimensionamiento preliminar, realizado empleando solamente las ecuaciones de la estática.

La resolución de la respuesta dinámica del puente en régimen libre, que permite conocer sus modos de vibración y períodos propios, resulta esencial para determinar las demandas por viento y sismo. En estas estructuras, típicamente, el primer modo de vibración significativo suele tener un período superior a los 2 segundos.

La flexibilidad de estas estructuras las hace relativamente poco sensible a las acciones sísmicas. Esto no significa que dichas acciones puedan menospreciarse, sino que no suelen controlar el diseño. Pero es importante, particularmente en los casos de luces mayores, tener en cuenta los posibles desplazamientos relativos entre las cimentaciones de las pilas y su impacto en la integridad de la tubería (en el caso de oleoductos, pueden generarse pérdidas con el consecuente impacto ambiental). Por tal motivo, suele ser buena práctica evitar una conexión rígida entre el ducto y las pilas (ver Figura 14). Ello es también beneficioso frente a los efectos térmicos.

 

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Merece especial atención la evaluación del comportamiento del puente frente a vibraciones eólicas y efectos aeroelásticos. Ello puede ser particularmente crítico en caso de formación de hielo, por el riesgo de ocurrencia del fenómeno denominado Ice Galloping. Su estudio puede ser realizado analíticamente, mediante técnicas CFD (Computational Fluid Dynamics) o bien empleando modelos físicos en túnel de viento. Generalmente estos estudios son realizados por Consultores Especializados.

En los puentes existentes que se mencionan en la Sección 3, se emplearon evaluaciones analíticas. Para los diseños hoy en curso, a construirse en Perú, se están empleando ensayos en túnel de viento.

Figura 14. Soporte de tubería en las pilas

8.- OTRAS ALTERNATIVAS PARA CRUCES FLUVIALES Hasta fines de la década de 1990 los cruces fluviales aéreos eran una solución casi obligada. Salvo, claro está, los casos en que resultaba posible instalar el ducto enterrándolo a poca profundidad en el lecho fluvial mediante una trinchera posteriormente rellenada (operando desde embarcaciones), Pero el avance de la tecnología fue incorporando la posibilidad de realizar cruces subterráneos por debajo del lecho, dirigidos desde las márgenes (Horizontal Directional Drilling HDD). Frente a los cruces aéreos, esta solución presenta algunas ventajas en aspectos de impacto ambiental y de protección contra vandalismo. Por dichas razones, tiende a reemplazar a los cruces aéreos cuando también resulta económicamente superadora.

 

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No obstante, hay situaciones tales como la necesidad de cruzar valles o gargantas a alturas importantes (como es el caso del puente Hegigio Gorge, ver Figura 15) en que el cruce aéreo resulta la única solución factible.

Figura 15. Hegigio Gorge Pipeline Bridge – Implantación (en escala)

9.- CONCLUSION A lo largo de 100 años de realizaciones en todo el mundo, los Puentes Colgantes para Ductos han evolucionado hasta adquirir un perfil propio en sus diseños, con soluciones ajustadas a las demandas específicas de su funcionamiento. En este trabajo se ha intentado brindar un pantallazo general de dicha evolución, con el propósito de divulgar entre los ingenieros estructurales los principales aspectos que hacen a su concepción, diseño y construcción. En particular, se ha buscado hacer conocer y destacar el protagonismo logrado en este tema por los ingenieros estructurales argentinos, mediante importantes realizaciones a nivel continental.