Esenciales del diseño de puentes de acero: selección de sistemas, fatiga y corrosión

Los puentes de acero se diseñan de manera diferente a los edificios de acero en tres formas fundamentales. La carga en vivo es móvil y repetitiva, lo que convierte la fatiga en el control de la mayoría de los detalles. La estructura está expuesta a la atmósfera, el viento, la sal de carretera y los productos químicos de deshielo, lo que convierte la protección contra la corrosión en un costo de toda la vida en lugar de un costo inicial. Y la construcción generalmente debe suceder sobre un río, carretera o ferrocarril sin detener el tráfico debajo, lo que convierte el método de construcción en una entrada de diseño, no una decisión del sitio.

Esta guía está escrita para los propietarios, ingenieros y contratistas que participan en licitaciones y revisiones de puentes de acero. EN 1993-2 (Diseño de estructuras de acero Puentes de acero) con la norma EN 1993-1-9 para la fatiga, Especificaciones de diseño del puente AASHTO LRFD En el caso de los proyectos de América del Norte, el código de diseño de puentes ferroviarios chinos (serie TB 10002) se aplica a la carga ferroviaria. Puente cubierto de Xianyang de 748 m a través del río Weihe en Shaanxi uno de los puentes cubiertos más largos de China cuya estructura de acero fabricamos y erigimos, por lo que este artículo trata grandes extensiones históricas y la ingeniería de puentes práctica como la misma disciplina.

Cubrimos la selección de sistemas, sistemas de cubierta, rodamientos y articulaciones de expansión, fatiga, protección contra la corrosión y los métodos de construcción que deciden tanto del diseño.

1. Selección del sistema: Girder, Celosía, Arco y Suspensión

El sistema de puentes se elige por el rango, la franja, la carga, la estética y el acceso a la construcción, en ese orden.

Sistema de control	Escala económica	Deck típico	Cuestión de gobierno
Cinturón de placas / cajas	30 80 m	Las placas de RC compuestas o ortotrópicas	Deflección, grietas de cubierta
Celosía	60 150 m	Placas ortotrópicas o RC	Fatiga articular, acoplamiento
Arco / arco atado	80 300 m	Compuesto o ortotrópico	Alza y despeja, acoplamiento
Suspensión / cableado	200 m y más	Ortotrópico (tamburas largas)	Aerolástico, fatiga de los cables

Para el rango medio común (50150 m), una caja compuesta de acero y hormigón o una correa de placa compite con una correa de acero; la correa es más rápida de fabricar y pintar, la correa es más ligera para una cierta profundidad y se adapta a la carga ferroviaria. El segmento cubierto y emblemático donde la estructura está parcialmente construida y el puente parcial se encuentra entre estos, y es donde se aplica nuestra experiencia de puente Xianyang: una estructura continua de 748 m cuyo marco de acero multi-espan lleva cargas peatonales y de vehículos ligeros a través de un río importante mientras soporta un edificio de cubierta completamente cerrado por encima.

2. Sistemas de cubierta: Placas de acero ortotrópico

Para extensiones superiores a unos 100 m y para cada puente de largo alcance, el peso propio de la cubierta domina la economía, y la respuesta es la cubierta de placa de acero ortotrópica: una cubierta delgada endurecida en dos direcciones por costillas longitudinales (generalmente cerradas) y vigas transversales del piso, de modo que la cubierta misma transporta cargas de tráfico directamente al sistema de costillas.

Las cubiertas ortotrópicas son sumamente eficientes y son famosas por exigir en un punto: la soldadura de costilla a cubierta. Es parcialmente penetrada, cargada por cada paso de la rueda y sujeta a la mayor concentración de tensión en el puente. Tres reglas la regulan: la placa de cubierta nunca es más delgada que 14 mm donde funcionan los neumáticos, la articulación de costilla a cubierta se ejecuta con el lado raíz verificado, y el dedo de soldadura se coloca y se tierra para eliminar la peor muesca. La lección que cae de cada falla de la cubierta ortotrópica en el registro: nunca deje que el espesor de la placa de cubierta, el espacio o el detalle de soldadura sea diseñado de valor hacia abajo son detalles de fatiga primero, segundo.

3. Los rodamientos y las articulaciones de expansión

Un puente se mueve. Movimiento térmico en α = 12 × 10^-6 En el caso de los rodamientos de los puentes de construcción, el sistema de rodamientos debe ser de 84 mm antes de que se añada la arrastre y la contracción de la cubierta de concreto. El sistema de rodamientos debe acomodar ese movimiento, transmitir las reacciones verticales y guiar aún la cubierta bajo el viento y el frenado: rodamientos de la olla o rodamientos esféricos, con claves de guía que proporcionan retención longitudinal cuando el sistema estructural lo requiere, y almohadillas elastómicas donde dominan las rotaciones.

Práctica de diseño para ingenieros y propietarios: especificar explícitamente la clase de desplazamiento de la junta (por ejemplo, la clase de 120 mm para el tramo de 100 m más arriba), exigir que el drenaje de cubierta pase por la junta sin mojar el acero de abajo, y poner el procedimiento de reemplazo de rodamientos en el Manual de los propietarios en la fase de diseño los rodamientos son componentes reemplazables, y los puntos de elevación y el diseño de la jaquetación ya deben estar en los dibujos.

Los tipos de cargas a la vista

Tres familias de rodamientos cubren casi todos los puentes de acero. Los rodamientos elastoméricos (planos o con laminados de acero) permiten la rotación y la modesta traducción con mantenimiento cero, y se adaptan a unas 40 m. Los rodamientos de la olla separan la carga vertical y la rotación: un bote cilíndrico con un disco de elastómero confinado lleva la carga vertical mientras que el borde absorbe la rotación y añade la traducción guiada a través de teclas de corte deslizantes de PTFE. Los rodamientos esféricos hacen lo mismo con una interfaz de acero esférica, llevando rotaciones más altas y cargas más grandes con altura general compacta la opción habitual para la clase de 100 m y más arriba. La tabla de selección en el informe de diseño del muelle debe indicar, para cada uno, el rango de reacción vertical, el movimiento longitudinal y transversal, la demanda de rotación y la posición de acceso al mantenimiento, porque un rodamiento sin un cerramiento y una inspección de puente de reemplazo es un plan futuro.

4. Diseño de la fatiga: curvas S-N y categorías de detalles

La fatiga es cuando el diseño del puente se separa del diseño del edificio.⁶ Los ciclos de diseño se superan en 100 años; un puente ferroviario se acumula varias veces más que con ejes más pesados. El acero nunca falla en la fatiga por tensión media falla en el rango de tensión del peor detalle, por lo que el esfuerzo de diseño se dedica a clasificar cada detalle de soldadura y mantener su rango de tensión por debajo de la curva S-N de su categoría. EN 1993-1-9 asigna categorías de detalle de 36 a 160 MPa a 2 × 10⁶ ciclos; AASHTO trabaja con umbrales de fatiga de amplitud constante (CAFT) en el mismo principio.

Detalle	Categoría EN 1993-1-9 (MPa)	Δσ en 2 × 106 ciclos	Localización típica
Soldadura de butos, enchufe de tierra	125 – 160	125 160 MPa	Las demás piezas de las piezas de la partida 1
Soldadura de butos, como soldada	90	90 MPa	Las esplices de la red
Pie de soldadura en ángulo, placa de extremo	71	71 MPa	Los dedos de los pies, los extremos del rígido
Un largo apego, extremo libre	50	50 MPa	Terminos longitudinales de los rígidos

La traducción de fabricación del diseño de fatiga es la disciplina del detalle: las tapas de soldadura de molida de los traseros se deslizan en zonas de tensión, terminan los rígidos con tapes de agotamiento, mantienen los accesorios fuera de las flanges de tensión y controlan el perfil de soldadura en cada dedo.⁶- N)^1/3 para un número de ciclos diferente y duplicar los ciclos del diseño reduce el rango permitido en un 26%, por lo que los puentes ferroviarios y de tráfico pesado requieren una utilización más ligera antes de que requieran más acero.

Aplicación del cálculo S-N

El control de fatiga se aplica como un presupuesto de rango de tensión, no como un control de resistencia contra la tensión máxima.⁶ ciclos, el rango de tensión permitido en cualquier otro recuento de ciclos N sigue la pendiente inversa de la curva S-N (m = 3 en la norma EN 1993-1-9):

Δσ_R = 71 × (2 × 10⁶ - N)^1/3 → en N = 10 × 10⁶ ciclos: Δσ_R ≈ 41 MPa

El mismo detalle que pasa cómodamente en ciclos de carretera-puente (2 × 10⁶) se convierte en la condición de miembro de gobierno en ciclos ferroviarios (10 × 10⁶ y más allá), por lo que los puentes de tráfico pesado y ferroviarios se detallan con detalles de categoría 100+ en la región de cubierta y por lo que el recuento de ciclos, no el tramo o el tonelaje, debe abrir cada conversación sobre la revisión de la fatiga.

Reglas detalladas sobre la fatiga que no son negociables

• Terminar los rígidos y los guisos con tapones de agotamiento (típico 1:3 en la dirección de la flanza) para que el dedo de soldadura nunca sea una concentración de tensión en un cambio de sección.
• Mantenga los accesorios fuera de las flanges de tensión; cuando sea inevitable, la longitud y el detalle del extremo del accesorio se diseñan, no se dibujan.
• Las tapas de soldadura de but en la zona de tensión son de rojo y transitorias, y la dirección de molienda sigue el flujo de tensión.
• Las espigas enboltadas en las zonas críticas para la fatiga son críticas para el deslizamiento, y el patrón de agujero se verifica para la fatiga de las placas de las espigas en la sección neta.

5. Sistemas pesados contra la corrosión: ISO 12944 C5

El acero de puente se corroe desde dos direcciones: la atmósfera desde fuera y el drenaje de la cubierta desde arriba. La norma ISO 12944 clasifica los entornos de puente como C4 a C5 (a menudo C5-M para la exposición a la sal marina y a la deshielo), y el sistema pesado estándar para un puente de carretera es un esquema de tres capas: primer inorgánico rico en zinc de 75 μm, capa media de óxido de hierro micaceo epoxiado (OMI) de 125 μm y capa superior de poliuretano alifático de 50 μm, para un espesor total de película seca de 250320 μmCada grieta de la flanza, la hendidura de los pernos y el interior de la sección hueca soldada obtienen el mismo alcance de revestimiento que la superficie visible.

El propietario debe requerir un plan de mantenimiento del revestimiento con intervalos de inspección definidos (generalmente 612 años hasta el primer mantenimiento para C5), procedimientos de adaptación y disposiciones de acceso (pistas de paseo, puertos de inspección) diseñadas en la estructura en la fase de licitación.

Reparar el revestimiento y el retoque de campo

Ningún revestimiento de puente sobrevive intacto a su erección: las marcas de la correa, las reparaciones de soldadura, el apretamiento de los pernos y la abrasión de transporte abren la película de pintura, y cada apertura es una célula de corrosión. La especificación debe incluir, por lo tanto, el protocolo de contacto de campo con los mismos materiales que el sistema del taller: abrame la zona dañada, pluma los bordes, aplique la secuencia completa de tres capas localmente y verifique el espesor de la película seca con el mismo indicador de DFT utilizado en la tienda. Dos detalles separan un esquema duradero de uno decorativo: DFT completo y pruebas de adhesión en el 5% de las áreas reparadas, y la reparación de todos los pernos y accesorios después del torqueo, porque el primer rico en zinc en los sujetadores es el primer punto donde el agua salada encuentra el acero.

6. Métodos de construcción: lanzamiento, cantilever y elevación integral

La construcción de puentes sobre el tráfico es la clásica restricción, y convierte el método en cargas de diseño.

• Lanzamiento incremental: La superestructura de acero se monta en la orilla, completa con una nariz de lanzamiento, y progresivamente empujada a través de los muelles en rodamientos deslizantes. El diseño debe incluir las fuerzas de lanzamiento, los momentos de flacidez de la punta del cantilever en cada paso de empuje, y las cargas temporales a menudo la caja de lanzamiento, no la caja de servicio, mide una cinta de alcance medio.
• Erécción del clavo de levadura: El método se adapta a las extensiones sobre ríos y desfiladuras donde es imposible realizar falsificaciones; su consecuencia de diseño es una pila de articulaciones de erección cuya tolerancia de montaje debe controlarse a nivel de milímetro.
• El levantamiento integral: Para las costillas de arco, los componentes individuales grandes o los subconjunctos enteros, los accesorios de filo elevan pesos de cientos a miles de toneladas desde las áreas de montaje a nivel de tierra. El diseño debe incluir la geometría de la carga de elevación, los casos de carga de elevación y los controles de elevación sincrónica.

El propietario nunca debe considerar "cargas de erección dentro del diseño de la envoltura" como una frase de reflexión posterior: los documentos de diseño del puente deben enumerar la caja de carga de erección que rige para cada miembro, porque en un puente lanzado la nariz de lanzamiento y los zapatos correderos son miembros estructurales con los mismos dibujos que los trabajos permanentes.

7. Caso de referencia: el puente cubierto de Xianyang de 748 m

El puente cubierto de Xianyang se extiende por el río Weihe en la provincia de Shaanxi con una longitud total de 748 m, lo que lo convierte en uno de los puentes cubiertos más largos de China. Su estructura de acero lleva un pasillo peatonal de dos niveles completamente cerrado, espacios de observación protegidos por encima de a través de múltiples pilares fluviales, combinando el comportamiento de un puente de múltiples espacios continuos con la carga de un edificio con envolvente muerto y de viento en la parte superior. Nuestro alcance cubre la fabricación y la erección de la estructura de acero, incluida la fabricación de la cubierta y el acero de la caja, el sistema de protección contra la corrosión y la secuencia de erección coordinada con las condiciones del río y la exposición al viento en el sitio. Es una demostración de que los elementos esenciales del diseño del puente movimiento, fatiga, corrosión, erección se aplican con toda fuerza a los puentes cubiertos y emblemáticos, y que la misma disciplina sirve a un subpase peatonal de 30 m y a un cruce fluvial de 748 m.

Puntos clave

• El sistema sigue el rango de tiempo, la carga y el acceso: giras hasta 80 m, celosías hasta 150 m, arcos hasta 300 m, con soporte por cable por encima de con acceso a la distancia y construcción como entradas coequivalentes.
• Los mazos ortotrópicos ganan peso y viven por detalles de fatiga: Placa de cubierta ≥ 14 mm, barricas U 68 mm en los centros de 320600 mm, y soldadura de barriga a cubierta nunca diseñada para la baja.
• El movimiento se diseña, no se estima: Los cálculos de αLΔT establecen la clase de transporte de rodamientos y la clase de articulación de expansión, con un procedimiento de reemplazo en la fase de diseño.
• La fatiga rige los puentes de acero: clasificar todos los detalles de soldadura según la EN 1993-1-9 (36160 MPa categorías) o AASHTO CAFT, y los rangos de tensión permitidos presupuestarios en función de los recuentos reales de ciclos, no nominales.
• La protección contra la corrosión es un sistema de toda la vida: Sistemas de tres capas ISO 12944 C5 a 250320 μm DFT, con acceso a mantenimiento y plan de repaintado en los documentos de licitación.
• El método de erección es una entrada de diseño: el lanzamiento, el cantilever y el levantamiento integral de cada caja de carga de nivel de miembro que debe aparecer en los dibujos.

Para un puente de acero desde un puente de 30 m hasta un cruce fluvial histórico nuestro equipo de ingeniería proporciona la selección de sistemas, especificaciones de fatiga y corrosión, soporte de fabricación y erección, con referencias del puente cubierto de Xianyang de 748 m. Contacte con nuestro equipo de ingeniería para un estudio de viabilidad del puente o una investigación de fabricación.