Tipos de puentes y los esfuerzos que aguanta cada uno

Hay cuatro tipos de puentes básicos: de viga, en arco, colgante y atirantado. Lo que los diferencia no es la forma, sino el esfuerzo que domina en cada uno: flexión en la viga, compresión en el arco y tracción en los cables del colgante y el atirantado.

➜ Los cuatro tipos, de un vistazo · Probar el simulador · ¿Por qué no pueden ser infinitos?

⏱ 11 min · Por Jaime Aniorte, profesor de Tecnología

Un puente es un problema de esfuerzos, no de formas

Cuando miras un puente ves una forma: un arco, unos cables, una viga recta. Pero un ingeniero no ve la forma, ve por dónde viaja el peso. Todo lo que hay encima de un puente —el tablero, los coches, la nieve, el propio puente— tiene que llegar hasta el suelo firme de las orillas. La forma del puente es, simplemente, el camino que se ha elegido para ese viaje.

Y en ese viaje, cada pieza acaba sometida a uno de estos tres esfuerzos:

• Compresión: la pieza se aplasta. El peso la empuja por los dos extremos hacia dentro.
• Tracción: la pieza se estira. El peso tira de ella por los dos extremos hacia fuera.
• Flexión: la pieza se dobla. Por arriba se comprime y por abajo se estira, todo a la vez.

Si estos tres nombres te suenan a chino, empieza por los cinco esfuerzos de una estructura, donde están explicados uno a uno con ejemplos. Aquí vamos a usarlos para algo concreto: clasificar los tipos de puentes que existen en cuatro familias.

Una pista antes de seguir, porque es la idea que ordena todo el artículo: la flexión es el esfuerzo más caro. Es el peor negocio estructural que existe, y los otros tres tipos de puente son, básicamente, tres maneras distintas de evitarla.

Los cuatro tipos de puentes, de un vistazo

Lee la última columna de arriba abajo. No es casualidad que los récords crezcan a medida que el esfuerzo dominante deja de ser la flexión: 330 m, 600 m, 1.208 m, 2.023 m. La tabla entera cuenta una sola historia, y la contamos al final del artículo.

Pruébalo en el simulador

Todo lo anterior se puede tocar antes de seguir leyendo. El Laboratorio de estructuras no dibuja una animación grabada: calcula de verdad el equilibrio de cada nodo y te dice, barra por barra, si trabaja a tracción o a compresión y con cuántos newtons. Arranca con un puente mal resuelto para que lo arregles tú.

Cómo usar el simulador

1. Empieza por el reto: tienes una viga que colapsa. El modo Reto arranca con lo que es, literalmente, un puente mal resuelto: dos apoyos separados, un tablero plano de dos barras y una carga de 10 N justo en el centro. El marcador de arriba dice ✗ COLAPSA — falta triangular. Eso es un puente de viga llevado a su versión más pobre.

2. Triangula y mira cómo cambia el veredicto. Añade un nodo por encima del centro y únelo con barras a los tres nodos de abajo. En cuanto la estructura queda triangulada, el marcador cambia a ✓ AGUANTA. Acabas de convertir una viga en una celosía, que es exactamente lo que hicieron los ingenieros del siglo XIX.

3. Pulsa cada barra y lee el esfuerzo. Al seleccionar una barra, el panel muestra en grande TRACCIÓN (rojo) o COMPRESIÓN (azul) y la fuerza en newtons. Comprueba el patrón: las barras de abajo se estiran, las de arriba se aplastan. No te lo tienes que creer: lo lees.

4. Pulsa un apoyo y descubre las reacciones. Selecciona un nodo con apoyo y el panel te da Rx y Ry: la fuerza con la que el suelo empuja hacia arriba para sostener tu puente. Si sumas las dos reacciones verticales, te sale la carga que pusiste. El peso no desaparece: viaja hasta el suelo.

5. Sube la carga hasta que algo cante. Con un nodo cargado seleccionado, los botones + y − cambian los newtons, y puedes inclinar la carga hasta 360°. Ponla horizontal (±90°) y observa: acabas de simular el viento lateral sobre el puente. Las barras que estaban tranquilas empiezan a trabajar y algunas cambian de signo.

6. Cuando lo tengas claro, construye tu propio puente. En modo Libre tienes dos apoyos y el lienzo vacío. Intenta reproducir los cuatro tipos del artículo: una viga plana (verás que necesita apoyos intermedios), una celosía triangulada, un arco de barras cortas. Y comprueba una cosa curiosa: en un arco de barras casi todas salen azules (compresión), tal como veremos más abajo.

Puente de viga: el más simple y el más limitado

Es el puente del tronco cruzando el arroyo, y también el de la mayoría de los viaductos de autovía que ves cada día. Una viga recta apoyada en dos pilas, y ya está.

Qué le pasa por dentro. Cuando pones peso en el centro, la viga se dobla. Y al doblarse ocurre algo curioso: la cara de arriba se acorta (se comprime) y la cara de abajo se alarga (se tracciona). Justo en el medio hay una línea que ni se estira ni se comprime; se llama fibra neutra y, estructuralmente, está ahí sin hacer nada.

Ese es el problema. En una viga que trabaja a flexión, buena parte del material está de brazos cruzados: pesa, cuesta dinero y no aguanta nada. Y cuanto más larga haces la viga, más se dobla y más material tienes que meter para evitarlo… lo que la hace más pesada, lo que la dobla más. La pescadilla que se muerde la cola.

Por eso el récord mundial de puente de viga se queda en 330 metros (el Shibanpo, en China) mientras un colgante llega a más de 2.000. No es falta de tecnología: es que la flexión no da más de sí.

Cómo se estira el límite. Dos trucos que verás constantemente:

• Vaciar el centro: si la fibra neutra no trabaja, quítala. De ahí las vigas en forma de I o de cajón hueco: todo el material se lleva arriba y abajo, que es donde sirve.
• Sustituir la viga maciza por una celosía: una malla de barras triangulada. Esto es tan importante que tiene sección propia más abajo.

Dónde verlo: cualquier paso elevado de autovía, las pasarelas peatonales sobre una carretera, los viaductos del AVE.

Puente en arco: convertir el peso en compresión

El arco es uno de los grandes inventos de la historia de la construcción, y los romanos lo exprimieron hasta el último metro —los acueductos que siguen en pie dos mil años después son arcos—.

Qué le pasa por dentro. El arco hace un truco elegante: transforma el peso vertical en compresión que recorre la curva. Cada dovela (cada pieza del arco) empuja a la siguiente, y la siguiente a la siguiente, hasta que toda la carga llega a los extremos. En un arco bien trazado, ninguna pieza se estira: todas se aplastan.

Y eso lo cambia todo, porque hay materiales que son malísimos a tracción y estupendos a compresión: la piedra y el hormigón. Una viga de piedra de 20 metros es impensable (se partiría por abajo, que es donde se estira). Un arco de piedra de 20 metros lleva en pie desde el Imperio Romano.

El precio a pagar. El arco no empuja solo hacia abajo: empuja hacia fuera. Ese empuje horizontal en los extremos es su factura, y hay que pagarla con estribos muy robustos o con una roca sólida a cada lado. Por eso los puentes en arco más espectaculares están en gargantas y desfiladeros, donde la propia montaña hace de estribo.

Dónde verlo: el Acueducto de Segovia, el puente de Alcántara, el Puente Nuevo de Ronda, y a lo bestia, el Tian’e Longtan chino con sus 600 metros de arco de hormigón.

Puente colgante: todo el peso colgando de un cable

Aquí está el campeón absoluto de las distancias largas. Dos torres altísimas, dos cables principales que dibujan esa curva reconocible de oreja a oreja, y de esos cables cuelgan las péndolas, los cables verticales finos que sujetan el tablero.

Qué le pasa por dentro. El recorrido del peso es: coche → tablero → péndola → cable principal → torre y anclajes. Y aquí está la clave: el cable principal trabaja a tracción pura. Se estira. Nada más.

Y un cable es el elemento estructural más eficiente que existe precisamente porque solo sabe hacer eso. No se dobla, no se pandea, no tiene material desaprovechado en ninguna fibra neutra: cada hilo de acero del cable está estirándose al máximo de lo que puede. Un cable de acero bien hecho aguanta una barbaridad para lo poco que pesa.

El precio a pagar. Dos cosas:

• Los anclajes. Los cables principales no acaban en las torres: siguen hasta el suelo y se anclan en unos bloques de hormigón descomunales. Si esos anclajes ceden, el puente entero se viene abajo.
• El viento. Un puente colgante es flexible. Se mueve. Y si se mueve al ritmo equivocado, el viento puede amplificar el balanceo hasta destruirlo — es lo que le pasó al Tacoma Narrows en 1940, el vídeo que sale en todos los libros de tecnología. Desde entonces, todo puente colgante grande pasa por el túnel de viento antes de construirse.

Dónde verlo: el Golden Gate, el Puente de Brooklyn, y el actual récord del mundo: el Çanakkale 1915 en Turquía, con 2.023 metros entre torres.

Puente atirantado: la solución moderna (y no es lo mismo que el colgante)

Esta es la confusión más común de todo el tema, así que va directa: en el colgante los cables verticales cuelgan de un gran cable curvo; en el atirantado los cables van rectos, en diagonal, desde la torre directamente al tablero. Si ves un abanico o un arpa de cables rectos saliendo de una torre, es atirantado.

Qué le pasa por dentro. Cada tirante trabaja a tracción y sujeta un trozo concreto del tablero. Todos los tirantes tiran hacia arriba y hacia la torre, y la torre —que recibe la suma de todos esos tirones— trabaja a compresión pura, clavándose contra su cimentación. Es un reparto muy limpio: cables estirándose, torre aplastándose.

Por qué se construyen tantos ahora. El atirantado se lleva casi todo lo bueno del colgante sin su parte más cara: no necesita anclajes gigantes en el suelo, porque los tirantes empiezan y acaban dentro del propio puente. Se equilibra a sí mismo. Además es más rígido que un colgante, y se puede construir por voladizos sucesivos desde la torre hacia fuera, sin tocar el agua de debajo.

Ese «sin tocar el agua de debajo» es justo lo que lo ha convertido en el rey de los puentes sobre ríos navegables. Y nos lleva al caso español.

Dónde verlo: el Puente del Alamillo de Sevilla (Calatrava), el Puente de la Barqueta, y el récord mundial: el Changtai sobre el Yangtsé, con un vano central de 1.208 metros.

El caso español: el puente de la SE-40 sobre el Guadalquivir

España tiene en proyecto un puente que bate un récord mundial, y además es un caso de manual para entender por qué se elige una tipología u otra.

El futuro viaducto de la SE-40 cruzará el Guadalquivir en Sevilla. Es atirantado, con un tramo central de unos 726 metros, y una condición de partida que lo decide todo: no puede apoyar ninguna pila en el cauce del río. Ni una. El Guadalquivir es navegable hasta el Puerto de Sevilla y hay que dejar pasar los barcos, además de respetar la vegetación de ribera de una zona protegida.

Esa condición elimina de un plumazo el puente de viga (necesitaría pilas intermedias) y complica el arco (necesitaría cimbras o estribos en zonas sensibles). El atirantado lo resuelve: se construye hacia fuera desde las dos torres, en voladizo, sin tocar el agua.

Y aquí viene el dato que sí es récord: el puente tendrá un gálibo de 70,80 metros. Según el Ministerio de Transportes, ese es el mayor gálibo de Europa y el tercero del mundo.

La celosía: el truco que aparece en casi todos

Mira de cerca casi cualquier puente metálico —de viga, en arco o el tablero de un colgante— y verás triángulos. Esa malla de barras se llama celosía, y es probablemente la idea más rentable de toda la ingeniería estructural.

La razón es geométrica, no de materiales. Un cuadrado hecho con cuatro barras articuladas no es rígido: empújalo por una esquina y se aplasta en rombo. Un triángulo, con sus tres barras, no puede deformarse sin que cambie la longitud de alguna barra. Es la única figura que se sostiene sola.

Al triangular una viga consigues algo notable: las barras dejan de flexionarse y pasan a trabajar solo a tracción o a compresión. Has convertido el esfuerzo caro en los dos baratos. Por eso una celosía aguanta lo mismo que una viga maciza pesando una fracción, y por eso las grúas, las torres eléctricas y los puentes de ferrocarril están hechos de triángulos.

En un puente de celosía las barras se reparten el trabajo de forma muy clara, y con el simulador lo vas a ver en color: las de abajo se estiran (tracción), las de arriba se aplastan (compresión), y las diagonales van llevando la carga en zigzag hasta los apoyos. Puedes comprobarlo tú mismo en el modo Triangulación, que arranca con un cuadrado que se aplasta hasta que le pones la diagonal.

¿Por qué un puente no puede ser infinitamente largo?

Vuelve un momento a la tabla de récords. 330, 600, 1.208, 2.023 metros. ¿Por qué cada uno de los cuatro tipos de puentes se topa con un techo distinto?

La respuesta la resume bien Víctor Yepes, catedrático de la Universitat Politècnica de València, cuando explica los récords mundiales de puentes: los sistemas que trabajan a tracción o compresión pura aprovechan el material mucho mejor que los que dependen de la flexión. En una viga flexionada hay material cerca de la fibra neutra que apenas trabaja; sigue pesando, pero no aporta. En un cable, en cambio, cada fibra está dando todo lo que tiene.

Y ahí aparece el enemigo real de todo puente largo: su propio peso. A partir de cierta luz, un puente ya no se dedica a sostener coches, sino a sostenerse a sí mismo. Alargas el vano, necesitas más material, ese material pesa, y ese peso se come la capacidad que acabas de ganar. El límite llega cuando el puente no puede ni con él mismo.

Por eso la evolución histórica de los récords no es un capricho: es una huida progresiva de la flexión hacia la tracción pura. Con acero moderno, el cálculo teórico de un colgante llega a luces de unos 8.000 metros — aunque, como advierte el propio Yepes, el límite práctico no es solo resistente: también hay que garantizar rigidez, comportamiento frente al viento, deformaciones admisibles, constructibilidad y, sobre todo, que salga económicamente razonable.

Cómo doy esto en clase: pizarra, palitos y simulador

Trabajo las estructuras en 1.º de ESO, y el simulador es lo último que aparece, no lo primero.

Empiezo en la pizarra, dibujando, y con el edificio que tenemos delante: el propio instituto. Les planteo un supuesto que siempre les hace gracia —qué habría que quitar para que se viniera abajo— y a partir de ahí salen solos los soportes verticales y los horizontales, y qué carga aguanta cada uno. Lo voy relacionando con cosas que ven a diario, porque un pilar deja de ser un dibujo en cuanto lo reconocen en el pasillo.

Después toca construir. La triangulación no la explico: la montamos, con palitos de papel hechos en clase. Y acabamos con una liga de puentes: un concurso a ver qué estructura aguanta más peso.

Solo entonces vamos al aula de informática y rehacemos el modelo en el simulador, por parejas. Para entonces ya han visto una estructura venirse abajo con sus propias manos; lo que añade el simulador es el nombre y el número: qué barra se estira, cuál se aplasta y con cuántos newtons. Ese orden —primero las manos, luego la pantalla— es el que a mí me funciona.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los cuatro tipos de puentes?

Los cuatro tipos básicos son el puente de viga, el puente en arco, el puente colgante y el puente atirantado. Se diferencian por el esfuerzo que domina en su estructura: flexión en la viga, compresión en el arco y tracción en los cables de los dos últimos. Cualquier puente real, por complicado que parezca, es una combinación o una variante de estos cuatro.

¿Qué diferencia hay entre un puente colgante y uno atirantado?

En el colgante, dos grandes cables curvos van de torre a torre y de ellos cuelgan cables verticales (péndolas) que sujetan el tablero. En el atirantado, los cables salen rectos y en diagonal desde la torre hasta el tablero, sin cable curvo intermedio. Consecuencia práctica: el colgante necesita anclajes enormes en el suelo y el atirantado no, porque se equilibra dentro de sí mismo.

¿Qué esfuerzo soporta un puente en arco?

Principalmente compresión. El arco convierte el peso vertical en un empuje que recorre la curva pieza a pieza hasta llegar a los extremos. Por eso se puede construir con piedra u hormigón, materiales que aguantan muy bien la compresión y muy mal la tracción. A cambio, el arco empuja hacia fuera en sus extremos y necesita estribos muy robustos.

¿Por qué los puentes llevan triángulos?

Porque el triángulo es la única figura de barras que no se deforma: un cuadrado articulado se aplasta en rombo, pero un triángulo no puede cambiar de forma sin que cambie la longitud de alguna de sus barras. Al triangular una estructura (celosía), las barras dejan de doblarse y pasan a trabajar solo a tracción o compresión, que es mucho más eficiente. Puedes comprobarlo en el simulador, en modo Triangulación.

¿Qué es la luz de un puente?

La luz (o vano) es la distancia entre dos apoyos consecutivos, no la longitud total del puente. Un viaducto de 3 kilómetros puede estar formado por veinte vanos de 150 metros cada uno. Cuando se habla de récords mundiales de puentes casi siempre se habla de luz, porque es ahí donde está la dificultad técnica.

¿Qué es el gálibo de un puente?

El gálibo es la altura libre que queda por debajo del tablero, normalmente medida sobre el nivel del agua, y es lo que determina qué barcos pueden pasar. No es lo mismo que la altura del puente, que se mide hasta lo alto de las torres. El futuro viaducto de la SE-40 sobre el Guadalquivir tendrá 70,80 metros de gálibo: el mayor de Europa y el tercero del mundo.

¿Cuál es el puente más largo del mundo?

Depende de la tipología. En colgantes, el récord de luz lo tiene el Çanakkale 1915 (Turquía) con 2.023 metros entre torres. En atirantados, el Changtai sobre el Yangtsé (China), con un vano central de 1.208 metros. En arcos de hormigón, el Tian’e Longtan (China), con 600 metros. Y en puentes de viga, el Shibanpo (China), con 330 metros — la diferencia entre esa cifra y las anteriores es justo de lo que trata este artículo.

¿Cuál es el puente más alto de Europa?

El viaducto de Millau, en Francia, con 343 metros de altura, que es también el más alto del mundo. Conviene no confundirlo con el gálibo, que es la altura libre bajo el tablero: en ese otro récord, el futuro puente de la SE-40 sobre el Guadalquivir tendrá 70,80 metros, el mayor gálibo de Europa y el tercero del mundo.