REALIZACIONES · Puentes

Transcripción

Puentes de viga-cajón
PUENTE DEL CENTENARI
PUENTE DE GARCÍA SOLA
Cortesía de Carlos Fernández Casado, S.L.
Javier Manterola y Miguel A. Gil – Ingenieros de Caminos
Presentamos dos puentes rectos, realizados con una celosía espacial triangular de tubos
metálicos. El puente funicular de ferrocarril, puente del Centenari, para el acceso a Montserrat (luz
máxima 70 m, construcción 2000) y el puente de García Sola de carretera (luz máxima 132 m,
construcción 2004). Fig. 1.
Ambos puentes son el resultado de una serie de estudios realizados desde 1990, son
aproximaciones a la forma de la celosía moderna.
Fig. 1
Planteamiento general de la solución
La utilización de la sección triangular en los puentes en celosía responde a una primera intención, la de
actualizar el dintel en celosía metálica clásica, con que empezó la realización de los puentes de
ferrocarril desde principios del siglo XIX.
Esta sección asociada al tubo, suaviza el aspecto del puente y facilita la realización de los nudos
situados en la intersección de planos diferentes. Desde un punto de vista resistente se elimina la
distorsión del cajón y se mantiene una adecuada rigidez a la torsión que una sección clásica de dos
vigas en celosía no satisface totalmente, ya que la triangulación que cierra el cajón por la parte inferior
tiene normalmente poca rigidez, quedando la respuesta del puente ante las excentricidades de la carga
más próxima a la de dos vigas separadas que a la de una viga cajón.
En la Fig. 2 representamos tres secciones transversales iniciales, solución a distintos problemas. La
primera solución, Fig. 2a del puente de ferrocarril del Montserrat de 1990, la primera versión del puente
de García Sola, Fig. 2b y una solución a una serie de puentes de carretera en Asturias, Fig. 2c.
El tema del apoyo de un dintel triangular en las pilas y la recogida de la torsión que transporta el dintel,
lo afrontamos directamente. La solución que se había dado en el formidable, por tantas razones, puente
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de Charolles, no nos convencía. Tampoco la solución realizada en otras ocasiones de soportar el dintel
en los dos tubos superiores.
Estudiamos dos soluciones, Fig. 3. La primera con un atirantamiento espacial con cables, que resultó
estáticamente posible pero de una deformabilidad transversal inadmisible si no queríamos encarecer
excesivamente el sistema de tirantes. La pila quedaba reducida a su mínima expresión, lo cual nos
satisfacía mucho.
La abandonamos para acudir a la segunda solución que es más natural. Simplemente se abre en dos el
cordón inferior, con el correspondiente cambio de dirección de los tubos de las almas, y tenemos la
torsión perfectamente transmitida y recogida.
La pila cilíndrica la terminábamos en un cabezal metálico, Fig. 4, que se adecuaba formalmente muy
bien al concepto explicado de transmisión de la torsión entre pila y dintel. Aunque en los dos puentes
que presentamos el dintel se adapta a la solución expresada, la cabeza de las pilas nunca la realizamos
de esa manera pues resultaba bastante costosa.
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
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Puente del Centenari sobre el río Llobregat
Tipología:
Ubicación:
Puesta en servicio:
Propiedad:
Ingeniería:
Contratista General:
Dirección de Obra:
Tablero metálico:
Control de Obra:
Puente de celosía
Acceso a Monserrat - Barcelona
Junio 2000 (15 meses ejecución)
Ferrocarriles de la Generalitat de Cataluña.
J.Manterola, M.Á.Gil - Carlos Fernández Casado S.L.
Fomento de Construcciones y Contratas
Josep Comellas
ITURMO
G.P.O.
Este puente cruza sobre el río Llobregat con el fin de servir de soporte al tren funicular de acceso al
Monasterio de Montserrat.
Tiene 480 m de longitud. Su planta tiene una alineación recta a la salida de un túnel y con una
pendiente longitudinal del 4% alcanza una zona curva con radio 125 m. El dintel de 5,00 m de ancho,
tiene una sola vía de ferrocarril. La altura del puente sobre el río es de 35 m, Fig. 5. La luz tipo del
viaducto es de 55 m y en la zona curva se produce la luz máxima de 70 m.
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Fig. 5
El canto útil del dintel es de 3 m. El
tubo inferior es de 610 mm de
diámetro exterior, constante a lo largo
de
todo
el
puente,
variando
únicamente los espesores, desde 20
mm en el centro del vano, hasta 35
mm junto al apoyo. Las diagonales son
tubos de 273 mm y 219 mm de
diámetro y sus espesores varían entre
20 mm y 35 mm, Fig. 6.
La celosía tiene una modulación de
cinco metros a lo largo del puente,
esta magnitud establece las diferentes
luces. De esta forma los nudos de
unión de los tubos diagonales con el
tubo inferior y los cajones superiores
se repiten dando lugar a dos
configuraciones tipo, la zona recta y la
curva. Además, en los apoyos de la
celosía, al abrirse el cordón inferior, se
cambian los ángulos de unión, tanto
arriba como abajo.
Fig. 6
Fig. 7
La cabeza superior de la viga está constituida por dos pequeñas vigas cajón trapeciales arriostradas,
suficientes para controlar las deformaciones de la viga durante su instalación. Sobre ella se dispone una
losa de hormigón de 26 cm, la cual está formada por una prelosa de 6 cm y una losa “in situ” de 20 cm.
Al llegar a la pila, el tubo inferior se bifurca hasta alcanzar 2,0 m de anchura. En dicha zona se
establece la transición a los apoyos de la pila mediante chapas verticales que conectan entre sí todos los
elementos, Fig. 7.
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En la sección de apoyo al abrirse el cordón inferior se crea una sección más deformable, por ello se
disponen dos tubos en el plano de apoyo que unen los tubos ∅ 610 inferiores con la viga de
arriostarmiento transversal superior entre cajones. De esta forma la sección queda triangulada y por
tanto indeformable transversalmente.
Fig. 8
Los nudos de unión entre tubos es a tope, salvo en la bifurcación donde se dispone una chapa vertical
longitudinal. Fig. 8.
La conexión de los
tubos del alma con la
losa
superior
de
hormigón y las vigas
trapeciales
superiores se realiza
por medio de chapas
que atraviesan el
cajón y se introducen
en
la
losa
de
hormigón.
Esta
chapa
corta
las
chapas del cajón en
el
sentido
longitudinal
del
tablero, excepto en
los aledaños de los
apoyos en que el
corte es oblicuo, lo
que
obliga
a
ensanchar el cajón
en esa zona. Fig. 9.
Fig. 9
Los conectadores se disponen en esas chapas y en la intersección de los ejes de las barras inclinadas
del alma y del eje de la losa superior de hormigón.
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Fig. 10
Se utilizan pernos de 22 mm de
diámetro y 100 mm de altura. El
número varía en cada nudo en
función de la carga a transmitir a la
losa oscilando entre 15 y 60. Debido
a la inclinación de la chapa de unión,
se disponen en dos filas hacia el
interior del puente y una fila hacia el
exterior.
El vano de 70 m de luz, curvo R=
125,00
m
se
configuró,
por
problemas durante la obra en el
alojamiento de una cimentación, que
obligó a variar la distribución de
luces en el extremo de la zona
curva. Se mantuvo el canto y los
tubos
inferiores
se
reforzaron
soldándoles unas casquillos metálicos curvos, Fig. 10, disposición que dio muy buen resultado tanto
desde el punto de vista resistente como visual. Fig. 11.
Fig. 11
Fig. 12
La altura en las pilas varia entre 13 m y 37 m. Su forma se genera a partir de un circulo de 2,00 m de
diámetro. Este circulo tiene cuatro incisiones que le permiten adquirir una variación lateral en la parte
superior, para alcanzar la anchura necesaria para recoger los dos apoyos que soportan el dintel y hacia
abajo para enfrentar los esfuerzos de viento. Todas las pilas se generan a partir de la más alta. Fig. 12.
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La construcción se realizo, después del hormigonado de las pilas realizado con un encofrado trepador,
ensamblando el dintel en el suelo y levantando con grúas los 55 m de longitud de un vano, apoyándolo
en una pila y el voladizo del vano interior. Fig. 13.
Todas las uniones son soldadas. En el tablero se realizaron los nudos superiores e inferiores, dejando
para obra la soldadura de unión entre tubos inferiores y cajones superiores ya que se pudo transportar
la sección completa en trozos de 15 metros de longitud.
Fig. 12b
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Fig. 12c
Fig. 13b
Fig. 13c
Análisis estructural del Pont del Centenari
El modelo de cálculo que se ha utilizado para analizar el comportamiento resistente del Pont del
Contenari es de barras en el espacio para reproducir con fidelidad la geometría del puente. El modelo es
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completo, ya que reproduce todos los elementos del puente, cimentaciones, pilas, estribos y tablero, así
como los aparatos de apoyo entre la superestructura y la subestructura. Fig. 14.
Fig. 14
La ventaja de utilizar un modelo único para todo el puente y cada una de sus partes es que se tiene
automáticamente en cuenta la interacción entre sus elementos. En un solo análisis se tiene la respuesta
de cada parte en que se ha dividido la estructura y se puede analizar en su totalidad.
Al tratarse de un puente celosía, se ha modelizado el tablero con una barra por cada tubo, cordón
inferior y diagonales, y por cada cajón superior. La losa de hormigón se ha reproducido por una barra
longitudinal en el centro de gravedad y barras transversales que la relacionan con las intersecciones de
las diagonales con los cajones superiores. Como nudos del modelo se han tomado las intersecciones de
los ejes de los tubos y losa de hormigón. Las pilas se han reproducido por barras verticales dividiendo la
pila en tramos de cinco metros. Los estribos, cimentaciones y neoprenos se reproducen también por
barras verticales.
En total el modelo de cálculo consta de 490 nudos y 1134 barras. La estructura se apoya en las barras
de cimentación con empotramiento, ya que se trata de una roca sana.
Las características geométricas que se dan a cada barra corresponden a la parte de puente que
reproducen. Así los tubos tienen el área e inercia correspondiente a su sección. La losa de hormigón que
forma el cordón superior de la celosía se reproduce por barras longitudinales que concentra toda el área
e inercia del ancho total. Las barras transversales tienen la anchura que le corresponde en cada caso.
Al modelo se le aplican las cargas definidas en la instrucción para puentes de ferrocarril para vía
métrica, peso propio, carga muerta, sobrecarga de tren y de paseos, fluencia y retracción, temperatura,
asientos, frenado, fuerza centrífuga y viento. En total se estudian doscientas hipótesis que se combinan
para obtener los esfuerzos más desfavorables, axil, cortante, torsor y flector en dos direcciones, en
cada barra del modelo. Las deformaciones impuestas, fluencia, retracción y temperatura, se aplican a
cada elemento del puente por separado, es decir, la fluencia y retracción es un acortamiento uniforme
de la losa de hormigón exclusivamente y se aplica teniendo en cuenta el tiempo de puesta en carga y
obteniendo por fases los esfuerzos hiperestáticos introducidos en la estructura completa.
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Una vez obtenidos los esfuerzos máximos se estudian uno a uno los elementos del puente. En cada caso
se aplica la norma de comprobación correspondiente, para puentes mixtos o de hormigón. Es decir, se
han comprobado tensiones en los tubos y obtenido la armadura de losa, pilas, estribos y cimentaciones.
Se ha puesto especial cuidado en el estudio de la unión de las diagonales de la celosía con los cordones
superior e inferior. El nudo inferior se hace por soldadura directa de las diagonales con el cordón
inferior. Para la comprobación de la abolladura, punzonamiento y colapso se ha seguido las indicaciones
establecidas por ANSI/AWS D 1.1 1992 en su capítulo 10.
La unión de las diagonales con la losa superior se hace mediante una cartela que une las diagonales y
se introduce en la losa. La diferencia de carga horizontal entre las diagonales se lleva al hormigón por
medio de pernos conectadores.
Al tratarse de un puente de ferrocarril se ha llevado la carga de frenado al estribo de la zona curva. Se
ha fijado este punto mediante cables de pretensado anclados en la losa del puente y en el espaldón del
muro.
Los tiros de los apoyos en los estribos se recogen mediante vigas doble T embebidas en los estribos y
apoyados mediante neoprenos en las chapas de apoyo del puente.
Puente de García Sola
Tipología:
Puesta en servicio:
Puente de celosía
2004
Propiedad:
MINISTERIO DE FOMENTO
Dirección de Obra:
Tablero metálico:
Control de Obra:
SACYR
Manuel Bruno
HORTA
INTEMAC
Ingeniería:
Contratista General:
J.Manterola, M.Á.Gil - Carlos Fernández Casado S.L.
La carretera N-430 cruza el río Guadiana al pie de la presa del Embalse de García Sola. El trazado curvo
cruza el río a 50 m de altura en una zona donde el río Guadiana está embalsado y tiene una anchura de
120 m y gran profundidad. El puente cruza sobre un canal de regadío, el río y la carretera de acceso a
la presa, Fig. 15a.
Solución de proyecto
La solución elegida por el Ministerio de Fomento es un puente celosía tubular continua de canto
constante con cinco vanos. Las luces son de 99, 132, 132, 110 y 88 metros, lo que arroja un total de
561 metros de longitud y una anchura de catorce metros. Fig. 15.
Se trata de una celosía espacial con sección triangular. El cordón inferior está formado por un tubo de
acero de un metro de diámetro, mientras que el cordón superior tiene dos tubos de acero de ochenta
centímetros de diámetro unidos a la losa superior de hormigón armado que materializa la plataforma. El
canto de la celosía es de siete metros entre ejes de tubos. La celosía está modulada en tramos de 11
metros.
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Fig. 15a
Fig. 15b
El apoyo del cordón inferior en las pilas y estribos se realiza bifurcando en dos el tubo inferior
abriéndose hacia los aparatos de apoyo separados cinco metros entre sí. Con esto se consigue la
estabilidad del puente que es curvo en planta. Es la misma solución que el puente del Centenari.
Las diagonales de la celosía son tubos de acero de cincuenta centímetros de diámetro dispuestos en
forma espacial con once metros de separación. Con esta disposición se unen cuatro tubos al cordón
inferior y dos a cada uno de los tubos superiores. La unión de las diagonales a los tubos principales se
realiza por soldadura directa, sin cartelas, obteniéndose un aspecto limpio y ordenado de la estructura.
Los tubos superiores se unen entre sí cada once metros mediante una viga metálica doble T, con el fin
de recoger la carga horizontal transversal que introduce la componente de los tubos de las diagonales.
Las vigas en celosía son más deformables que las de alma llena. Para disminuir esta deformabilidad se
recurrió a la colocación de dos cables de pretensado que desde el cordón inferior en el centro del vano
subía hasta los tubos superiores en las pilas. Este procedimiento parecía más económico que aumentar
el espesor de las diagonales en la zona de apoyo.
Fig. 15c
La losa superior es de hormigón
armado de veinticinco centímetros
de espesor sobre un enrejado de
vigas metálicas doble T para
reducir la luz de catorce por once
metros que forma la cuadrícula
superior.
Las pilas son de hormigón armado
con fuste elíptico de sección
constante y un cabezal superior
que se abre para recoger los
apoyos de la celosía. Las pilas
tienen un altura entre veinte y
cuarenta metros. El fuste es una
sección hueca de tres metros
sesenta centímetros de eje menor.
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El espesor de las paredes es de cuarenta
centímetros. La cimentación es por
medio de zapatas de hormigón armado
ya que la roca es casi superficial salvo en
las orillas del río que hay que bajar casi
cuatro metros.
La cabeza de la pila y la colocación de
los dos apoyos se realizaba por medio de
un cabezal metálico, Fig. 16.
Los estribos son también de hormigón
armado con una altura de doce metros
de los cuales ocho corresponden al
tablero del puente.
Fig. 16
Solución construida
La construcción del puente estaba pensada para construir por tramos, en avance en voladizo y con la
ayuda de apoyos provisionales intermedios. La empresa constructora propuso una construcción
empujada, lo que se realizó, bajo nuestra dirección, por los ingenieros de Sacyr, Jesús Martínez Cólliga
y Rafael Pérez Valencia.
Fig. 17
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Para cambiar el proceso constructivo fue necesario cambiar el cordón superior de la sección,
sustituyéndolo por vigas cajón que servirían de carril de deslizamiento sobre los apoyos definitivos y
unas pilas provisionales situadas en el centro de la luz de cada vano, Fig. 17.
Fig. 18
Fig. 19
Para ello fue necesario diseñar patines complementarios que permitiesen el deslizamiento del dintel
sobre las pilas, Fig. 18, apoyando los cordones superiores que son las que en todo momento
proporcionan estabilidad al conjunto, Fig. 19. Estas mismas piezas se diseñaron para el apoyo en las
pilas provisionales situadas a mitad de la luz, Fig. 20.
En el cambio de proyecto también se eliminó el pretensado interior del dintel, lo cual obligó a disponer
diagonales más rígidas para reducir el efecto de las deformaciones por esfuerzo cortante.
El empuje se realizó desde los dos estribos con el fin de evitar disponer una pila provisional en el centro
del río. Fue necesario realizar ambos puentes con gran precisión para evitar ajustar con gatos y vigas
los frentes de las secciones frontales de cada uno de los semipuentes, Fig. 21.
Se utilizaron gatos apoyados en trípodes situados sobre el estribo, Fig. 22. El montaje del dintel se hizo
en el sitio por soldadura de las partes, Fig. 23. Las uniones inferiores se hicieron soldadas y las uniones
de los tubos inclinado y el cordón superior atornilladas, Fig. 24.
Dadas las dimensiones del tablero, se transportó despiezado. Por un lado el cajón superior con las
cartelas de unión para las diagonales y por otro los tubos de las diagonales y cordón inferior. En el
parque de fabricación detrás de los estribos se montaba la celosía soldando las diagonales al tubo
inferior y atornillando las cartelas de unión con el cajón superior.
Los detalles de unión entre las barras son similares en los dos puentes. En la Fig. 25 representamos la
bifurcación del cordón inferior y en la Fig. 26 el detalle de unión de tubos en el apoyo de la pila.
En el apoyo en el estribo el detalle de unión es similar, Fig. 27. Una visión inferior de la limpieza formal
del dintel se representa en la Fig. 28.
La cabeza de las pilas también cambió en el cambio de proyecto. Se simplificó y abarató
sustancialmente convirtiendo la cabeza en hormigón. No queda tan bien pero es más barata, Fig. 29.
En las Fig. 30 se ve una vista inferior del puente terminado.
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Fig. 20
Fig. 21
Fig. 22
14
Fig. 23a
Fig. 23b
Fig. 24
15
Fig.25
Fig. 26
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Fig. 27
Fig. 28
Fig. 29
17
Fig. 30
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