Qué es una viga cajón de acero y por qué es adecuada para puentes atirantados-
Una viga cajón de acero es una viga hueca-de sección cerrada fabricada a partir de placas de acero soldadas. A diferencia de una sección I-abierta, la celda cerrada soporta flexión, corte y torsión juntas, que es exactamente lo que necesita una plataforma atirantada-: la plataforma es un miembro continuo sostenido en muchos puntos por cables atirantados, y su sección transversal-debe distribuir las fuerzas concentradas del cable en el campo de placas sin distorsión excesiva.
Elementos típicos de una viga cajón
Webs:Placas laterales verticales o inclinadas que transfieren el corte entre las alas superior e inferior.
Bridas:placas superior e inferior; el ala superior soporta la plataforma de tráfico y la compresión, el ala inferior transporta la tensión.
Diafragmas y marcos-cruzados:miembros transversales internos que preservan la forma-de la sección transversal bajo cargas concentradas, como anclajes de cables.
Refuerzos:Nervios longitudinales y transversales que retrasan el pandeo de las placas y distribuyen las cargas locales de las ruedas.
En los tramos más largos, la plataforma superior suele ser una plataforma de acero ortotrópica, en la que una placa delgada se refuerza mediante nervaduras cerradas o abiertas soldadas; esto ahorra peso muerto en comparación con una plataforma de hormigón. Las vigas cajón también ofrecen una alta rigidez torsional y son eficientes cuando las cargas son excéntricas, razón por la cual aparecen en rampas curvas y puentes de luces largas-así como en tableros atirantados-.
Funciones estructurales de la viga cajón en un puente atirantado-
Soporte de plataforma principal-span
La viga cajón se extiende entre los-puntos de anclaje del cable atirantado, resistiendo el tráfico, el viento y las cargas térmicas. El peso propio-de la viga determina directamente la tensión-del cable atirantado y las dimensiones-de la sección transversal del pilón, por lo que una viga más ligera reduce la demanda de todo el sistema estructural.
Transferencia de fuerza en las zonas de anclaje.
Se aplica refuerzo local en las posiciones de anclaje de los tirantes-para distribuir las grandes fuerzas concentradas de los cables en las placas de sección de caja-. Las fuerzas del cable fluctúan repetidamente bajo el tráfico y el viento, por lo que es fundamental contar con detalles resistentes a la fatiga-de la zona de anclaje.
Distribución de fuerzas longitudinales y transversales.
La estructura de una sola-caja o de dos-caja se basa en la resistencia a la torsión y al alabeo para distribuir las cargas excéntricas del vehículo transversalmente a lo largo de todo el ancho del puente y para soportar la flexión longitudinal de la plataforma entre los soportes de los cables.
Consideraciones de diseño: viento, fatiga y estándares
Estabilidad al viento y aeroelástica.
Dos fenómenos de viento dominan el diseño de vigas-de luces largas: la vibración inducida por vórtices-a velocidades de viento moderadas y el aleteo a velocidades de viento altas. El perfil aerodinámico de la caja más una rigidez torsional adecuada (una alta frecuencia de torsión) son las principales contramedidas estructurales. Los datos del viento del sitio y las propiedades dinámicas del puente se incorporan a un estudio aeroelástico; para tramos de longitud récord-, un programa de túnel de viento de capa límite-es normal. Las acciones del viento se determinan en Europa según EN 1991-1-4 y en América del Norte según las disposiciones sobre viento de AASHTO LRFD.
Fatiga en detalles soldados y anclajes.
Los puentes de acero viven en rangos de tensión repetidos, por lo que los detalles soldados se clasifican en categorías de detalles de fatiga: EN 1993-1-9 en Europa asigna categorías de detalles a los tipos de juntas, y AASHTO LRFD utiliza categorías de fatiga con un umbral de vida infinito-en América del Norte. Los soportes de anclaje de cables, las soldaduras ortotrópicas de nervadura a cubierta de cubierta y los empalmes de bridas son los tipos de detalles que suelen prevalecer. La calidad de fabricación, incluido el perfil de soldadura, el rectificado de los pies y los END, establece directamente la vida a fatiga que asume la categoría de detalle.
Estándares rectores comúnmente citados en adquisiciones
| Sujeto | Estándares (ejemplos) | Notas |
|---|---|---|
| Diseño de puente de acero. | EN 1993-2; Especificaciones de diseño de puentes AASHTO LRFD; JTG D64 | Edición aplicable a la jurisdicción del proyecto. |
| Diseño de puente compuesto | EN 1994-2 | Para plataformas compuestas de acero-hormigón |
| Pandeo de placas/paneles rigidizados | EN 1993-1-5 | Reglas de pandeo para placas de vigas cajón |
| Fatiga | EN 1993-1-9; Disposiciones de fatiga AASHTO LRFD | Categorías de detalle para uniones soldadas |
| Acciones del viento | EN 1991-1-4 | Cargas de viento; estudio aeroelástico para luces largas |
| Grados de acero estructural | EN 10025 (S355J2, S355NL); ASTM A709 (Grado 50, 50W); GB/T 714 (Q345q, Q370q, Q420q) | El grado depende del diseño y el clima. |
| Ejecución / fabricación | Clases de ejecución EN 1090-2; Soldadura de puente AWS D1.5 | Define tolerancias, soldadura e inspección. |
| Protección contra la corrosión | Norma ISO 12944; ISO 8501-1 | Sistema seleccionado por categoría de corrosividad y vida útil de diseño. |
| aceptación de END | ISO 5817 / ENISO 17635 | UT, RT o MT en soldaduras críticas |
Caja de acero frente a caja de hormigón frente a acero-compuesto de hormigón
| Criterio | Totalmente-viga cajón de acero | Viga cajón de hormigón pretensado | Viga compuesta de acero-hormigón |
|---|---|---|---|
| Peso propio- | El más bajo de los tres. | Alto; gobierna el costo de pilones y cimientos en tramos largos | Moderado (cubierta de concreto sobre caja de acero) |
| Idoneidad del tramo principal- | Preferiblemente más allá de aproximadamente 400-600 m, extendiéndose más allá de los 1000 m | Práctico hasta aproximadamente 400 m para diseños atirantados- | Común en el tramo de 200-600 m y para vanos laterales |
| Comportamiento torsional | Alto (sección cerrada) | Alto (sección cerrada), pesado | Alto cuando la caja de acero está cerrada. |
| Perfil aerodinámico | Fácilmente optimizado; necesita control aeroelástico | Las secciones más pesadas amortiguan el movimiento pero añaden carga muerta | Intermedio |
| Velocidad de erección | Más rápido (fabricación en taller segmentaria) | Más lento (encofrado, vaciado por etapas, curado) | Rápido con paneles de cubierta prefabricados |
| Mantenimiento del ciclo de vida | Mantenimiento de revestimientos e inspección de soldaduras y rodamientos. | Bajo mantenimiento de rutina; problemas de durabilidad del tendón | Revestimiento sobre acero; juntas de cubierta y mantenimiento de hormigón |
Rango de especificaciones indicativo para consultas de fabricación
La siguiente tabla es un punto de partida para una consulta de fabricación, no una cotización. Los valores finales provienen de los dibujos, el código aplicable y la oferta escrita.
| Parámetro | rango indicativo |
|---|---|
| Tramo principal (atirantado-) | Alrededor de 200 ma 1100 m y más |
| Longitud del segmento | Normalmente de 9 a 15 m, reducido para segmentos ortotrópicos pesados; Limitado por la capacidad de transporte y elevación. |
| Relación canto/luz de viga | Poco profundo para vigas atirantadas-(comúnmente en el rango de 1/180-1/250 para proyectos de carreteras); fijado por los límites de viento y deflexión |
| Grados de acero | Q345q / Q370q / Q420q (GB/T 714); S355J2 / S355NL (EN 10025); A709 Grado 50/50W (ASTM) |
| Preparación de la superficie | Limpieza con chorro de arena hasta Sa 2,5 (ISO 8501-1) |
| Sistema de recubrimiento (ejemplo) | Imprimación rica en zinc-, capa intermedia epoxi, capa final de poliuretano (ISO 12944) |
| Cargar modelo (ejemplo) | AASHTO HL-93, modelos de carga Eurocódigo o modelo de carga nacional del proyecto |
| clase de ejecución | EN 1090-2 EXC3 o EXC4 para vigas de puentes |
Lo que los compradores necesitan saber: documentación y embalaje
Documentación de control de calidad:certificados de materiales (p. ej., EN 10204 3.1 o 3.2 con inspección de terceros-), registros de soldadura, informes de END, informes de espesor de recubrimiento, informes dimensionales e informes de pre-ensamblaje de taller.
Inspección-de terceros:La aceptación por parte de agencias de inspección independientes o del agente del cliente se acuerda comúnmente en la etapa del contrato.
Embalaje de exportación:amarres protectores, material de estiba de madera o plantillas de acero, refuerzos internos, -envoltura de bordes resistente a la intemperie, segmentos- marcados, puntos de elevación exclusivos y una lista de empaque con un manual de manejo.
La práctica comercial indicativa para las vigas cajón fabricadas se basa en el proyecto-: la fabricación comienza a partir de los planos aprobados, el plazo de entrega suele ser de uno a tres meses desde la aprobación del plano y la confirmación del material, según el tonelaje y el alcance de la inspección, y los términos de garantía se definen en el contrato de venta. Envíe sus planos, disposición de tramos y condiciones del sitio para recibir una revisión técnica y una cotización por escrito.
Solicite una revisión técnica y cotización
Preguntas frecuentes
¿Cómo se compara una viga cajón de acero con una viga cajón de hormigón para un puente atirantado-?
Una viga cajón de acero es más liviana que una viga cajón de concreto de luz similar, lo que reduce el peso propio-que deben soportar las torres, los cables y los cimientos y permite luces principales más largas. El hormigón ofrece un costo inicial más bajo en algunos mercados y un mantenimiento de rutina bajo, pero su mayor peso muerto aumenta la demanda de pilones y cimientos. La elección se rige por la luz, las condiciones del sitio, el costo de fabricación local y el código de diseño.
¿Cuál es la diferencia entre una viga cajón totalmente-de acero y una viga compuesta de acero-hormigón?
En una viga cajón totalmente-de acero, la plataforma superior, el alma y el ala inferior son placas de acero soldadas, a menudo con una plataforma de acero ortotrópica. En una viga compuesta de acero-hormigón, una losa de plataforma de hormigón armado se asienta sobre una subestructura de caja de acero y actúa con ella a través de conectores de corte. Las vigas compuestas son comunes en luces moderadas donde una plataforma de concreto es económica; Las cajas-totalmente de acero son habituales cuando el bajo peso propio-y el rápido montaje segmentario son importantes, como en el caso de tramos principales de más de aproximadamente 400-600 m.
¿Cómo se comporta una viga cajón de acero bajo viento fuerte?
La sección transversal cerrada y aerodinámica-tiene una baja resistencia aerodinámica y una alta rigidez torsional, lo que ayuda a controlar la vibración inducida por el vórtice-y aumenta la velocidad crítica del viento-. Para tramos atirantados-largos, el código de diseño normalmente exige pruebas de túnel de viento y estudios aeroelásticos específicos del sitio, por ejemplo, EN 1991-1-4 para las acciones del viento.
¿Cómo se maneja la fatiga en uniones soldadas y anclajes de cables?
Los detalles soldados están diseñados para categorías de detalles de fatiga, por ejemplo EN 1993-1-9 en Europa o las disposiciones de fatiga de AASHTO LRFD en Norteamérica. Las zonas de anclaje de cables y las soldaduras ortotrópicas de nervaduras en U de la cubierta reciben especial atención porque soportan rangos de tensión elevados y repetidos. Las END (pruebas ultrasónicas, radiográficas o de partículas magnéticas) se especifican en soldaduras críticas y la EN 1090-2 define los requisitos de calidad de ejecución.
¿Cuál es el panorama de costos y mantenimiento durante la vida útil del puente?
Las vigas cajón de acero generalmente tienen un costo de fabricación más alto que las alternativas de concreto, pero pueden reducir los costos de cimientos y pilones debido a su menor peso muerto, y acortan el tiempo de montaje mediante la prefabricación en taller. El mantenimiento del ciclo de vida se centra en el sistema de protección contra la corrosión:-los intervalos de repintado dependen del sistema (por ejemplo, categorías ISO 12944) y del medio ambiente. Un estudio de costos del ciclo de vida, no solo el costo inicial, decide la solución económica para un tramo y sitio determinados.
¿Qué clase de ejecución se aplica a las vigas-de puentes atirantados?
Las clases de ejecución se definen en EN 1090-2 y se seleccionan de la clase de consecuencia de la estructura. EXC3 es típico de puentes de carreteras en general; EXC4 está especificado para estructuras costeras o urbanas de gran luz donde las consecuencias de la falla son graves. La clase determina tolerancias, requisitos de soldadura e inspección.