Puente en voladizo (ménsula): definición, tipos y aplicaciones
Puente en voladizo: definición, tipos y aplicaciones — descubre su diseño, ventajas estructurales y usos en ingeniería para salvar grandes vanos y cruces complejos con acero o hormigón.
Un puente en voladizo es un puente construido con un voladizo. Un voladizo sólo se apoya en un extremo. En las pasarelas pequeñas, los voladizos pueden ser simples vigas. En los grandes puentes en voladizo, diseñados para el tráfico rodado o ferroviario, los voladizos son cerchas construidas con acero estructural, o vigas cajón construidas con hormigón pretensado. El puente en voladizo de acero fue un gran avance de la ingeniería cuando se utilizó por primera vez, ya que puede salvar distancias de más de 460 m. Pueden construirse más fácilmente en cruces difíciles, ya que no necesitan apoyarse durante la construcción.
Tipos principales
- Viga en voladizo simple: para pequeñas pasarelas o protuberancias en edificaciones; normalmente una viga con un extremo empotrado.
- Cercha en voladizo: estructuras trianguladas de acero usadas en puentes ferroviarios y algunos puentes de carretera, con buena capacidad para resistir cargas concentradas y esfuerzos de flexión.
- Viga cajón pretensada: usada en puentes de hormigón de tramo medio y largo; la sección cerrada (cajón) ofrece rigidez torsional y facilita el método de construcción por voladizo equilibrado.
- Voladizo con tramo suspendido: configuración mixta donde dos voladizos desde pilas opuestas sostienen un tramo central colgado entre sus extremos, permitiendo salvar claros mayores sin apoyo intermedio.
Métodos de construcción
- Voladizo equilibrado (balanced cantilever): se construyen segmentos desde la pila hacia afuera, alternando ambos lados para mantener el equilibrio. Es común en puentes de hormigón pretensado sobre valles o ríos cuando no se puede colocar cimbra.
- Montaje por voladizos de acero: las cerchas o tramos metálicos se ensamblan por secciones, a menudo con grúas o lanzadores longitudinales, permitiendo salvar obstáculos sin apoyos provisionales.
- Construcción con dovelas prefabricadas: se colocan dovelas prefabricadas sucesivas que se unen y pretensan, muy usada en obras rápidas o con control de calidad en fábrica.
Ventajas y desventajas
- Ventajas:
- Pueden construirse sin cimbras ni andamiaje debajo del tablero, útil en ríos navegables, carreteras en servicio o terrenos difíciles.
- Permiten salvar claros relativamente grandes y adaptar el trazado a condiciones geográficas complejas.
- La construcción por tramos facilita el control de calidad y la prefabricación.
- Desventajas:
- Demandan diseños estructurales complejos por los grandes momentos flectores en los empotramientos.
- Pueden requerir secciones más robustas (y más material) que otros tipos de puente para determinados claros.
- La construcción y el control de calidad son críticos; errores pueden afectar la seguridad (históricamente se han registrado colapsos por fallos de diseño o ejecución).
Aplicaciones y ejemplos
Los puentes en voladizo se usan en carreteras, ferrocarriles, pasarelas peatonales y pasos elevados donde es importante no interferir con el terreno o la navegación durante la ejecución. También son adecuados cuando los apoyos intermedios serían costosos o imposibles.
Ejemplos notables en la historia de la ingeniería incluyen obras emblemáticas que han utilizado el principio del voladizo tanto en acero como en hormigón.
Mantenimiento y seguridad
- Inspecciones periódicas para detectar corrosión en acero, fisuración o pérdida de pretensado en hormigón, y fatiga en elementos soldados o atornillados.
- Control de juntas de dilatación, drenaje y protección de la capa de rodadura para evitar entrada de agua y sales que aceleren deterioro.
- Monitoreo de deformaciones y asentamientos en pilas y cimientos, que afectan directamente a los voladizos debido a los altos momentos en cabeza de pila.
- Diseño sísmico y frente a viento: los puentes en voladizo deben considerar esfuerzos laterales y posibles fenómenos aerodinámicos (vibraciones, flutter) en claros largos.
Conclusión
Los puentes en voladizo son una solución versátil y eficiente cuando las condiciones del lugar impiden el uso de apoyos provisionales o cuando se requieren claros importantes. Su correcto diseño, construcción y mantenimiento son esenciales para garantizar seguridad y durabilidad.
Orígenes
Los ingenieros del siglo XIX sabían que un puente construido sobre múltiples apoyos distribuía las cargas entre ellos. Esto significaba que habría menos tensiones en la viga o cercha y que se podrían construir vanos más largos. Varios ingenieros del siglo XIX diseñaron puentes continuos con puntos de articulación a mitad del vano. El uso de una bisagra en el sistema de vanos múltiples permitía a los ingenieros calcular mejor las cargas y tensiones del puente.
Heinrich Gerber fue uno de los ingenieros que obtuvo la patente de una viga articulada (1866) y se le reconoce como el primero en construirla. El puente de Hassfurt sobre el río Meno, en Alemania, tiene una luz central de 38 metros. Terminado en 1867, fue el primer puente en voladizo moderno. Otros de los primeros puentes en voladizo fueron el High Bridge de Kentucky de C. Shaler Smith (1877), el Niagara Cantilever Bridge de Charles Conrad Schneider (1883) y el Poughkeepsie Bridge de John Francis O'Rourke y Pomeroy P. Dickinson (1889). El puente del río Kentucky atravesaba un desfiladero de 84 metros de profundidad. Se construyó con un voladizo, lo que significaba que no era necesario apoyarlo durante la construcción. El más famoso de los primeros puentes en voladizo es el Forth Rail Bridge. Este puente ostentó el récord de luz más larga del mundo durante 17 años.
Benjamin Baker mostró cómo funcionaba el sistema de voladizos en la foto de la izquierda. El vano suspendido, donde se encuentra Kaichi Watanabe, se ve en el centro. La necesidad de resistir la compresión del cordón inferior se ve en el uso de postes de madera, mientras que la tensión del cordón superior se muestra en los brazos extendidos. La acción de los cimientos exteriores como anclajes del voladizo puede verse en la colocación de los contrapesos.
Función
Puente en voladizo.-Estructura que al menos en una parte actúa como anclaje para sostener otra parte que se extiende más allá del muelle de apoyo.
- John Alexander Low Waddell, Ingeniería de Puentes
Un vano en voladizo simple está formado por dos brazos en voladizo que se extienden desde los lados opuestos del obstáculo que hay que atravesar y que se juntan en el centro. En un vano suspendido, los brazos en voladizo no se juntan en el centro, sino que soportan un puente de celosía central que se apoya en los extremos de los brazos en voladizo. El vano suspendido puede construirse fuera de la obra y levantarse en el lugar, o construirse en el lugar utilizando soportes móviles especiales.
con un voladizo equilibrado, el vano se equilibra con voladizos que van en la dirección opuesta. Si están anclados en cimientos sólidos, se denominan brazos de anclaje. En un puente construido sobre dos pilas de cimentación, hay cuatro brazos en voladizo: dos que salvan el obstáculo y dos brazos de anclaje que se alejan del mismo. Debido a la necesidad de una mayor resistencia en los apoyos del voladizo equilibrado, la superestructura del puente suele adoptar la forma de torres por encima de los pilares de cimentación. El puente Commodore Barry es un ejemplo de este tipo de puente en voladizo.
Las ménsulas de acero soportan las cargas mediante la tensión de los miembros superiores y la compresión de los inferiores. Por lo general, la estructura distribuye la tensión a través de los brazos de anclaje a los soportes más externos, mientras que la compresión se lleva a los cimientos debajo de las torres centrales.
Los puentes en voladizo equilibrados de hormigón pretensado suelen construirse por segmentos.
Un diagrama de las partes del puente conmemorativo John P. Grace
Métodos de construcción
Algunos puentes de arco de acero (como el Puente Navajo) se construyen utilizando vanos en voladizo puro de cada lado. Estos se unen con un pasador, normalmente después de forzar el punto de encuentro. Cuando se retiran las clavijas y se añade el tablero del puente, éste se convierte en un puente de arco de cercha. Este tipo de construcción sin apoyos sólo es posible si se dispone de roca adecuada para soportar la tensión en el cordón superior del vano durante la construcción, lo que suele limitar este método a la superación de cañones estrechos.
Lista por longitud
Los puentes en voladizo más largos del mundo (por su mayor luz):
- Puente de Quebec (Quebec, Canadá) 549 m (1.800 pies)
- Puente de Forth (Firth of Forth, Escocia) 2 x 1.710 pies (521 m)
- Puente Minato (Osaka, Japón) 1.673 pies (510 m)
- Puente Commodore Barry (Chester, Pensilvania, EE.UU.) 1.644 pies (501 m)
- Crescent City Connection (doble vano) (Nueva Orleans, Luisiana, EE.UU.) 1.575 pies (480 m)
- Puente de Howrah (Calcuta, Bengala Occidental, India) 1.500 pies (457 m)
- Veterans Memorial Bridge (Gramercy, Luisiana, EE.UU.) 1.460 pies (445 m)
- Puente de la Bahía de San Francisco - Oakland (East Bay Span) (San Francisco, California, EE.UU.) 1.400 pies (427 m)
- Puente Horace Wilkinson (Baton Rouge, Luisiana, EE.UU.) 1.235 pies (376 m)
- Puente Tappan Zee (South Nyack, Nueva York y Tarrytown, Nueva York, EE.UU.) 1.212 pies (369 m)
Ejemplos
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El puente de Quebec tiene la estructura general demostrada anteriormente.
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El puente ferroviario del Firth of Forth con sus tres voladizos dobles
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Vano oriental del puente de la bahía de San Francisco - Oakland
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Vano original de 1938 del puente Blue Water.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un puente en voladizo?
R: Un puente en voladizo es un puente construido utilizando un voladizo, que sólo se apoya en un extremo.
P: ¿Qué se puede utilizar como ménsulas para pasarelas pequeñas?
R: Para las pasarelas pequeñas, los voladizos pueden ser simples vigas.
P: ¿De qué están hechas las ménsulas de los grandes puentes en voladizo diseñados para el tráfico rodado o ferroviario?
R: En los grandes puentes en voladizo diseñados para el tráfico rodado o ferroviario, los voladizos son cerchas de acero estructural o vigas cajón de hormigón pretensado.
P: ¿Qué ventajas tienen los puentes de acero en voladizo en comparación con otros tipos de puentes?
R: Los puentes de acero en voladizo tienen la ventaja de poder salvar distancias de más de 1.500 pies, lo que los convierte en un gran avance de la ingeniería.
P: ¿En qué cruces difíciles pueden construirse puentes en voladizo más fácilmente que otros tipos de puentes?
R: Los puentes en voladizo pueden construirse más fácilmente en cruces difíciles porque no necesitan apoyarse durante la construcción.
P: ¿Cómo funciona un voladizo como soporte de un puente?
R: Un voladizo es un soporte que sólo se apoya en un extremo y puede extenderse desde una estructura para servir de apoyo a un puente.
P: ¿Cuál es la diferencia entre las ménsulas utilizadas en puentes en voladizo pequeños y grandes?
R: En las pasarelas pequeñas, los voladizos pueden ser simples vigas, mientras que en los grandes puentes en voladizo diseñados para el tráfico rodado o ferroviario, los voladizos son cerchas construidas con acero estructural o vigas cajón construidas con hormigón pretensado.
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