P UENTES MIXTOS DEL ACCESO AL P EAJE GERONA SUR, ESPAÑA Juan A. SOBRINO1 Dr. Ingeniero de Caminos, Canales Canales y Puertos
M. Dolores G. PULIDO1
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, MSc
RESUMEN En la presente comunicación se presentan dos puentes mixtos de características muy similares situados en entorno urbano (puente de la rotonda del enlace con la N-II y puente de la rotonda de Santa Coloma de Farners) en el acceso al peaje Gerona Sur de la autopista A-7. Dichos puentes sustituyen a una solución nicial inicial basada en dos puentes de vigas prefabricadas con dintel de canto variable, constituyendo una auténtica alternativa económica frente a diversas tipologías estructurales,, con importantes reducciones en el plazo de ejecución. estructurales
1. DESCRIPCIÓN DE LA OBRA Los dos puentes mixtos que se presentan (puente de la rotonda del enlace con la N-II y puente de la rotonda de Santa Colom Colomaa de Farners) se inscriben dentro del proyecto de mejora mejora del acceso al peaje pea je Ger Gerona ona Sur de la autopi autopista sta A-7 desd desdee la Travesía Travesía de Geron Gerona (a (ant ntig igua ua NN-II), II), ubicados ubicados en entorno urbano. Ambas estructuras, de características similares, sustituyen a una solución inicial constituida por dos puentes de vigas prefabricadas con dintel de canto variable, demostrando la competitividad económica de este tipo de estructuras. Situados ambos puentes sobre las rotondas de los enlaces que dan acceso a la autopista A-7 desde Gerona (obra del Ministerio de Fomento), dan paso a una doble calzada de autovía (dos carriles por senti sentido), do), pres present entando ando sus ssecci ecciones ones tra transv nsvers ersal ales es uuna na aanch nchura ura im impor portan tante te de de 22.8 22.8 m (fi (fig. g. 2). 2).
Figura 1 Alzado del puente de la rotonda del enlace con la N-II
Los trazados en planta de las plataformas de los dos tableros (fig. 3) discurren prácticamente en zona circunferencia conensuaves radios de curvatura m de radio en el puente del enlace con lade N-II y unos 1000 m el puente de Santa Coloma de(500 Farners). 1
PEDELTA, S. L., Ingeniería de Estructuras, Estructuras, Barcelona (España), (España), E-mail: E-mail:
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El esquema estructural longitudinal del tablero es el de una viga continua de tres vanos con canto constante (31.7 m + 42.2 m + 31.7 m en el enlace de la N-II, fig. 1, y 28.9 m + 38.7 m + 28.9 m en el puente de Santa Coloma Coloma de Farners, medidos según el desarrollo del ej ejee de la plataform plataformaa ) y la sección transversal se resuelve mediante dos vigas cajón metálicas de acero S 355 con un canto constante de 1.5 m en conexión mixta con una losa de hormigón HA-25 de 30 cm de espesor en las zonas situadas sobre y entre cajones, con reducción lineal hacia el extremo de los voladizos.
Figura 2 Sección transversal de ambos puentes sobre pila
Figura 3 Planta del puente de la rotonda del enlace con con la N-II N-II
La sección cajón es trapecial de 4 m de anchura constante en el fondo del cajón y 5.2 m de anchura entre ejes de almas en el extremo superior. Las platabandas superiores del cajón presen pre sentan tan ancho ancho var variab iable le ent entre re 0.4 y 0.6 m, efectu efectuánd ándose ose el recrec recrecido ido hac hacia ia el int interi erior or del cajón. cajón. La separación transversal entre ejes de cajones es de 11.6 m (figuras 4 y 5). Se dispone doble acción mixta en las zonas situadas sobre pilas intermedias mediante un refuerzo de hormigón interior (HA-30) sobre el fondo del cajón, de 0.2 m de altura y 3.6 m de ancho, extendiéndose, aproximadamente, 0.2 L a cada lado de los apoyos en pilas, siendo L la luz del vano correspondiente (fig. 6).
Figura 4 Secciones transversales tipo de ambos puentes en centro vano
Figura 5 Secciones transversales tipo de ambos puentes sobre pila
Figura 6 Secciones transversales transversales tipo tipo con doble acción acción mixta en zona de pila
La conexión entre el hormigón de la losa superior del tablero y las platabandas superiores de los cajones metálicos se realiza mediante conectadores tipo Bernold. Ese mismo tipo de conexión se emplea entre el refuerzo de hormigón interior y el fondo del cajón y las células metálicas que hacen de encofrado en el mismo. Las pilas están constituidas por un doble fuste circular (fig. 7) de hormigón de 0.8 m de diámetro unidas mediante un tabique inferior de hormigón. La cimentación es superficial. Los estribos son abiertos, de 22.8 m de ancho, también con cimentación superficial. Las cuantías de acero estructural obtenidas han sido de aproximadamente 87 kg/m2 de tablero, muy bajas al optimizarse exhaustivamente la estructura y el proceso de construcción.
Figura 7 Puentes en construcción construcci ón
2. CONSIDERAC CONSIDERACIONES IONES ESTRUCTUR ESTRUCTURALES ALES Con objeto de obtener una solución económicamente competitiva frente a la estructura inicialmente planteada con vigas prefabricadas de hormigón, se realizó un estudio donde se optimizaronn todos los elementos estructura optimizaro estructurales les y el proceso de ejecución. Uno de los aspectos decisivos en el proceso de optimización estructural ha sido el análisis exhaustivo del comportamiento del tablero de ambos puentes. Éstos se han calculado con dos modelos de cálculo diferentes y complementarios. El primero de ellos está constituido por un emparrillado plano con 4 nervios longitudinales; los dos exteriores, coincidentes con los ejes de los cajones metálicos y los interiores, permiten delimitar la zona de comportamiento de la losa entre cajones con la flexibilidad correspondiente a una placa de espesor 0.30 m. Este modelo de emparrillado determina con precisión los esfuerzos longitudinales en los cajones mixtos y la flexión transversal en la losa entre ambos. Los resultados de la flexión transversal se han contrastado con un modelo de pórtico plano simplific simplificado. ado. El en los(fig. cálculos estructurales está constituido elementos tiposegundo lámina modelo y barraempleado tridimensional 8). Este último modelo, si bien por resulta muchofinitos más
realista, presenta una mayor complejidad tanto en su desarrollo como en el análisis de los resultados. En los dos modelos de cálculo empleados para simular el comportamiento comportamiento estructural del tablero, la losa de hormigón se ha representado con las características mecánicas (módulo de deformación equivalente) equivalente) correspondientes al tipo de cargas que se deseaban estudiar –según su variabilidad temporal- y en las zonas fisuradas sobre pilas se ha modelado la losa con un espesor ficticio que permite tener en cuenta la rigidez proporcionada por la armadura de refuerzo.
Figura 8 Modelo del tablero mediante elementos finitos tipo lámina y barra
Los resultados de los dos modelos de cálculo estructural se han contrastado, ofreciendo una concordancia prácticamente perfecta, como se puede apreciar en la figura 9 donde se muestra la distribución elástica de tensiones rasantes en la unión alma-ala superior del cajón.
Rasante (T/m) 300 200
Rasante (T/m)
100 0
Distancia a Estribo 1
Figura 9 Distribución de rasantes elásticos de diseño en la unión ala-alma obtenidos con el modelo de emparrillado (gráfico superior) y con el modelo de elementos finitos (gráfico inferior)
El modelo de análisis por elementos finitos ha permitido un cálculo muy preciso de la distribución de tensiones normales en las distintas chapas que conforman la sección transversal del tablero (fig. 10). Los resultados de las ensiones tensiones obtenidas con dicho modelo de cálculo se han contrastado con aquellos derivados del modelo de emparrillado.
Figura 10 Distribución de tensiones en la chapa inferior del cajón en centro luz del vano central y sobre pila bajo baj o las acciones acci ones permanentess permanente
En la Tabla 1 se muestran los resultados parciales del cálculo del ancho de reducción elástica de las alas ψ e obtenidos a partir del modelo de cálculo mediante elementos finitos y la formulación propuest prop uestaa en la RPX RPX-95 -95 (Rec (Recomen omendaci daciones ones para el Proyecto Proyecto de Puentes Puentes Mixtos Mixtos para Carreter Carreteras), as), comprobándose que el coeficiente de reducción elástica de la RPX es conservador para la zona de pi pila las, s, ccons onstat tatánd ándose ose lo ccont ontrar rario io en en la sec secció ciónn ce centr ntroo luz luz del del vano vano cent central ral..
Zona Zo na
Chapa Inferior
Losa superior
Tabla 1
Secc Sección ión
Análisis MEF
RPX-95
Diferencia entre MEF y RPX
Centro Cent ro luz vano 2
0.83
0.97
-1 -144 %
Pi Pila la
0.70
0.59
19%
Centro Cent ro luz vano 2
0.79
0.94
-1 -15% 5%
Pi Pila la
0.57
0.53
7%
Coeficientes de reducción elástica. Resultados obtenidos con el modelo de elementos finitos y con la formulación propuesta en la RPX
Los análisis estructurales realizados han permitido obtener una distribución optimizada de los espesores de las chapas y de los distintos elementos auxiliares de rigidización y arriostramiento. En las figuras 11que y constituyen 12 se resume la distribución distintos elementos las vigas metálicas. de peso de la estructura metálica para los
% de Peso de acero estructural Puente Enlace N-II l 100% a t o t o 80% t c 60% e p s e
82,8%
% Cuantia
r o s 40% e 20% p % 0%
11,0%
4,0% C h a pa
Rigidizadores
2,2%
Diafragmas
Arriostramientos
Elemento
Figura 11 Distribución del peso de acero estructural del tablero en los distintos elementos estructurales estructurales expresado en % respecto al peso total de acero del tablero
Cuantías de acero estructural Puente Enlace N-II ) 100 o r e l b 80 a t 2 60 m / g 40 K ( a í t 20 n a u C 0
87,4 72,4
9,6
3,5
Chapa
Rigidizadores
Diafragmas
1,9
Arriostramientos
To ta l
Elemento
Figura 12 Distribución del peso de acero estructural del tablero en los distintos elementos elemento s estructurales expresado en Kg Presupuesto de Ejecución Material (%) 2% 4% 12 12% %
10%
Movimiento Tierras Pilas Estribos
El coste total del tablero representa en los puentes estudiados un 72 % del coste total del puente (fig. 13), ustificando este hecho el exhaustivo análisis estructural realizado con el ánimo de optimizar el empleo del material.
Tablero 72%
Acabados Figura 13 Desglose por capítulos del presu puesto de ejecución ej ecución material ma terial del de l puente
3. PROCESO CONSTRUCTIVO Como resultado del estudio de optimización estructural expuesto en el apartado anterior, se adopta un proceso de construcción totalmente apeado. En una operación previa se sueldan los distintos tramos de viga metálica que, para poder transportarse por carretera, llegan a la obra en forma de se semi-sección mi-sección Los apeos provisional provisionales es se han separado aproximadamente 4.0 m, de forma que las cargas máximas sobre dichos elementos durante la ejecución son menores a 40 T, pud pudien iendo do emplea empleardel r ape apeos os con conven cional nales es deel cos coste te reduci reducido do (fi (fig. g.en 15). 15) Una de vezapoyos montad montadas as laspilas dos vigas metálicas tablero sevencio hormigona refuerzo inferior la . zona sobre (doble acción mixta). En una fase posterior se hormigona la losa del tablero, la zona de voladizos sobre cimbra apoyada en el terreno y el resto sobre una prelosa (encofrado autoportante) de hormigón pretensado y, posteriormente, se retiran los apeos provisionales (fig. 14). La obra está actualmente en fase de construcción, estando prevista su finalización para finales del mes de septiembre de 2001.
Figura 14 Esquema del proceso proceso constructivo constructivo
Figura 15 Vista inferior inferio r del puen te durant puente du rantee con constru strucció cciónn
4. CONSIDERACION CONSIDERACIONES ES ESTRUCTURAL ESTRUCTURALES ES El estudio realizado revela que los puentes mixtos resultan una solución muy competitiva para luces medias en términos de coste total, facilidad de construcción y calidad de la obra final si se compara con alternativas de hormigón, ofreciendo los materiales enormes posibilidades compositivas y formales que permiten obtener soluciones muy expresivas al poder trabajar con alternancia de colores y texturas diferentes. La perfecta sinergia de los materiales acero y hormigón hacen de la estructuras mixtas soluciones ventajosas técnica y económicamente.
