PUENTES TIPO CAJÓN: UN CLÁSICO VIGENTE QUE SURGIÓ DE UNA GRAN NECESIDAD

Escrito por: Ing. Pablo Agüero Barrantes, M.Sc.


El presente blog trata brevemente sobre los puentes tipo cajón (ver figura 1) y se enfocará en los puentes que son tipo viga o tipo marco con viga cajón, ya que, actualmente hay puentes con otras tipologías que utilizan vigas tipo cajón, solo por citar un ejemplo el nuevo puente colgante de la bahía de Oakland en California. Además, si el lector tiene mayor interés en el tema, en las referencias, se incluyen vínculos (la mayoría en inglés) con temas relacionados para continuar el proceso de aprendizaje, y a los cuales puede accesar durante la lectura. En un blog anterior, se presentó el puente sobre el río Colorado ubicado en ruta la No. 1.

En futuras entradas se presentarán otras tipologías como los puentes tipo viga y los puentes tipo marco.

Figura 1. Puente sobre el río grande de Tárcoles en la ruta Nacional No. 34. Nótese la cantidad de turistas contemplando los cocodrilos que descansan bajo el puente. La fotografía fue tomada con un vehículo aéreo no tripulado evitando que los inspectores se expongan al peligro de esos animales.

¿Qué es un puente tipo cajón? ¿Qué materiales se utilizan para construirlos?

Los puentes tipo cajón son aquellos en los que las vigas principales presentan la forma de cajón hueco. Pueden ser construidos con concreto presforzado, acero o en sección compuesta de acero con concreto reforzado (llamados mixtos). Por lo general el cajón es de forma rectangular (ver figura 2) o trapezoidal.

Figura 2. Geometría de la sección transversal de la viga tipo cajón del puente sobre el río Grande (ver figura 4) en ruta nacional No. 27, nótese la forma rectangular y la altura variable del cajón hueco.

Breve historia de los puentes tipo cajón y otros datos
Se mencionarán tres hitos relacionados con la historia de los puentes tipo cajón.

El primer hito es la invención del concreto presforzado.  El ingeniero belga Gustave Magnel fue el primero en publicar sobre dicho material; este dibujo fue hecho por Magnel para explicar el concepto de concreto presforzado. En 1928 el concreto pretensado fue patentado por el ingeniero francés Eugène Freyssinet. En 1939 el mismo Freyssinet desarrolló y patentó las cuñas cónicas para anclajes (Hewson, 2003). En 1945, Freyssinet y Magnel lograron obtener resultados satisfactorios del desempeño de concreto postensado utilizando acero de alta resistencia (Fy = 1000 MPa), superando los intentos fallidos realizados en Alemania entre 1938 y 1944 debido a la utilización de acero ordinario (Brandt, 2009).

El segundo hito es la utilización por primera vez del método constructivo de voladizos sucesivos en el Puente Balduinstein sobre el río Lahn en 1950, posible gracias al uso del presforzado. Dicho método fue propuesto por el ingeniero alemán Ulrich Finsterwalder quien en 1970 ganó la medalla Freyssinet de la Federación Internacional de Concreto Presforzado.

La necesidad de reconstruir la infraestructura vial de Europa después de la Segunda Guerra Mundial es el tercer hito que mencionaremos. Debido a la escasez de acero después de la guerra, se incentivó el uso del concreto como material constructivo (Hewson, 2003).

El puente tipo cajón con las luz más larga del mundo es el puente sobre el río Shibanpo Yantze ubicado en China, con una longitud total de 1103 metros en 7 tramos y una luz máxima de 330 m. Fue diseñado por la firma T.Y. Lin Internacional (la misma que diseñó el puente sobre el río Colorado) concluido en el año 2006 y tiene la particularidad de que el tramo más largo es una combinación de concreto postensado en los extremos y un cajón de acero de 108 metros en el centro.

En segundo lugar está el puente Stolma en Noruega concluido en 1998, el cual sería el puente construido con únicamente concreto postensado con la mayor luz de todo el mundo, igual a 301 m.

Un hecho que empañó la ingeniería estructural y la construcción de puentes tipo cajón, pero que al mismo tiempo ha ofrecido grandes lecciones, fue la falla del puente Koror ubicado en Palaos en 1996. El puente fue terminado en 1977 y en ese momento fue el puente tipo cajón con la mayor luz del mundo (240,8 metros). La falla súbita ocurrió 3 meses después de la conclusión de una intervención para reducir una evidente deformación permanente en el centro de la luz que alcanzó 1,39 m. Aparentemente, el colapso fue iniciado por el pandeo por flujo plástico de una sección previamente delaminada del tablero que fue sujeta a compresión inducida por tendones agregados durante el reforzamiento (Bazant, et. al., 2015).

Materiales utilizados
Como se mencionó anteriormente, los puentes tipo cajón iniciaron con el concreto postensado, pero se han diversificado a cajones de acero y a cajones mixtos de acero con un tablero de concreto reforzado.

Métodos constructivos
Como se explicó previamente, el ingeniero Ulrich Finsterwalder fue quien propuso el método de los voladizos sucesivos para construir puentes tipo cajón en 1950. En ese caso la estructura se cuela monolíticamente, al igual que con otro método constructivo denominado como puente lanzado.

Con la popularización de los elementos prefabricados se puede recurrir a grandes grúas para lanzar las dovelas prefabricadas del puente, conocido como el método de las dovelas.

Inspección de los puentes tipo cajón
La inspección de los puentes tipo cajón plantea una serie de retos para los técnicos encargados de la misma, ya que estos puentes se clasifican como espacios confinados y se podría requerir de equipo especial para realizar la inspección de forma segura, por ejemplo: utilización de oxígeno.

Puentes tipo cajón en Costa Rica
A continuación se presenta en el Cuadro No.1 los puentes con vigas tipo cajón ubicados en la Red Vial Nacional de Costa Rica; la información es tomada del inventario de la Unidad de Puentes del LanammeUCR (Muñoz-Barrantes, et. al., 2016). El cuadro no presenta los puentes tipo cajón del proyecto Sifón la Abundancia ya que el mismo se encuentra en ejecución.

Algunos datos interesantes son (en el cuadro No. 1 se resaltan con negrita):

·  A pesar de que esta tecnología se desarrolló desde la década de 1940, en Costa Rica se introdujo hasta finales de la década de 1970.

·  El único puente tipo cajón de acero (mixto) es el puente sobre el río Tempisque (puente de La Amistad de Taiwán), el cual se compone de dos superestructuras de 260 m cada una (ver figura 3).

·  La mayor luz libre corresponde al puente sobre el río Grande en la ruta No. 27 (ver figura 4).

·  Únicamente hay dos marcos con viga tipo cajón: el puente sobre el río Virilla en ruta No. 32 y el puente sobre el río Concepción en ruta No. 27 (ver figura 5).
Figura 3. Vista lateral de la superestructura tipo cajón del puente sobre el río Tempisque (puente de la Amistad con Taiwán) en la Ruta No. 18


Figura 4. Vista del puente sobre el río Grande en la Ruta No. 27 tomada desde el puente ferroviario paralelo.

Figura 5. Vista del puente sobre el río Concepción en la Ruta No. 27, nótese que es un marco rígido con viga tipo cajón.

Cuadro No.1 Puentes con viga tipo cajón ubicados en la Red Vial Nacional de Costa Rica

 
Referencias
Kurrer, K.E. (2008). “The Hystory of the Theory of Structures: from Arch Analysis to Computational Mechanics”. Ernst & Sohn, Berlin, Germany. ISBN 978-3-433-01838-5.

Brandt, A. M. (2009). “Cement-Based Composites: Materials, Mechanical Properties and Performance”. Second Edition. Taylor & Francis, New York, USA. ISBN 0-203-88903-7.

Hewson, N. R. (2003) “Prestressed Concrete Bridges: Design and Construction”. Thomas Telford Limited, Great Britain. ISBN 0-7277-3223-4.

Tang, M. C. (2014). “The Story of the Koror Bridge”. IABSE Case Studies 1. International Association for Bridge and Structural Engineering. Zurich, Switzerland. ISBN 978-3-385748-136-9.

Bazant, Z. P., Hubler, M. H., Yu, Q. (2015) “Handbook of Damage Machanics”. Chapter 17. Springer Science+Bussiness, New York. ISBN 978-1-4614-5588-2

Muñoz-Barrantes, J., Vargas-Alas, L. G., Barrantes-Jimenez, R., Vega-Salas, P., Loría-Salazar, L. G. (2016) “Información de Inventario para puentes en la Red Vial Nacional de Costa Rica”. Informe LM-PI-UP-02-2016. Programa de Ingeniería del Transporte (PITRA) del Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad de Costa Rica (LanammeUCR).



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