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Realizaciones: puentes y pasarelas

INGENIERIA DE CONSTRUCCIÓN DEL NUEVO VIADUCTO DE

OSORMORT EN EL EIX TRANSVERSAL C-25

Tomás POLO ORODEA

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Bridge Technologies S.L. Ingeniero tomas.polo@btechno.es

Ángel C. APARICIO BENGOECHEA

Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

ETSECCPB (UPC) Catedrático angel.carlos.apricio@upc.edu

RESUMEN

Se describe la ingeniería de construcción de un viaducto para el desdoblamiento del Eix Transversal de Cataluña (C-25) paralelo al construido en 1995, con atirantamiento inferior, según proyecto de la oficina de Carlos Fernández Casado S.L. El nuevo viaducto estaba diseñado por otra ingeniería, con el mismo canto pero sin atirantamiento inferior, siguiendo especificaciones de la empresa concesionaria del desdoblamiento. A pesar de ello, el resultado formal del conjunto de los dos viaductos es arquitectónicamente agradable.

Dada la longitud del tablero y las alturas de pilas, la empresa constructora pidió a Bridge Technologies S.L. adaptar el procedimiento constructivo, del previsto para ejecución vano a vano sobre cimbra apoyada en el suelo, a otro mediante cimbra autolanzable.

Fue necesario optimizar el diseño de las pilas esbeltas con un análisis no lineal geométrico y mecánico. Es de destacar que el viaducto se encuentra en zona de actividad sísmica moderada.

PALABRAS CLAVE: Vano a vano, autocimbra, pilas altas, zona sísmica, desdoblamiento.

1. INTRODUCCIÓN

En este artículo se describe el esquema estático, el procedimiento constructivo y el diseño del nuevo viaducto sobre la riera de Osormort, en el desdoblamiento del Eix Transversal (C-25).

Con una longitud total de 500.1m, (31.7+11x39.7+31.7m), y una altura máxima de 31.0m, es el viaducto más largo del Eix Transversal entre Vic y Girona. La implantación del nuevo viaducto viene definida por la del viaducto existente, cuya presencia condiciona también el procedimiento constructivo, especialmente en lo relativo a la ejecución del tablero.

El canto del nuevo tablero es idéntico al del antiguo, pero se ha modificado la sección transversal pues se ha diseñado sin atirantamiento inferior. Las nuevas pilas tienen formas similares a las del viaducto original. Ambos aspectos ayudan a la integración de la nueva estructura con la existente. La decisión de eliminación del atirantamiento inferior se tomó ya en el proyecto adjudicado, desarrollado por otra ingeniería, y se ha respetado al desarrollar la ingeniería de construcción.

La empresa constructora pide a Bridge Technologies S.L. el recálculo completo de la estructura en el que se deben optimizar las alturas y el armado de pilas, la capacidad portante del terreno de cimentación y el procedimiento constructivo del tablero, originalmente previsto con cimbra apoyada sobre el terreno, para ser ejecutado vano a vano con autocimbra. El cambio de

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construcción sobre cimbra a construcción sobre autocimbra implica una modificación considerable de los esfuerzos de peso propio del tablero, originados fundamentalmente por la fase de cuelgue en el voladizo del peso de cada nueva fase.

2. DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA

2.1. Planteamiento general.

La estructura se encuentra en una alineación curva en planta de radio constante R=1551.7m y en un acuerdo cóncavo en alzado de Kv=5000.

Se diseña una viga continua en hormigón pretensado de 13 vanos, simplemente apoyada en pilas y estribos, con una anchura apta para una plataforma de 11.7m, formada por dos carriles de 3.50m, dos arcenes de 1.00m y 2.50m y espacio para pretiles homologados de contención de vehículos. El tablero se empotra elásticamente a torsión en la cabeza de cada pila con doble aparato de apoyo.

La sección transversal es una losa de 1.60m de canto constante e inercia concentrada, con ancho inferior de 3.8m y paramentos laterales inclinados 45º, aproximadamente. Ver figura 1.

Foto 1: Vista general del viaducto terminado, a falta de acabados.

En cuanto al esquema resistente frente a cargas horizontales:

Se disponen aparatos de apoyo de neopreno confinado, tipo POT, libres y unidireccionales, en las pilas extremas y en estribos: Estribos E1 y E2 y pilas P1; P2; P3; P4; P10; P11 y P12. En las pilas P5; P6; P7; P8 y P9 se disponen aparatos de apoyo de neopreno zunchado que permiten la fijación elástica del tablero a las correspondientes pilas. Estas pilas son las encargadas de soportar las acciones horizontales longitudinales y recentrar el tablero tras la actuación de las mismas.

Todos los apoyos transmiten cargas horizontales transversales a las pilas y/o estribos, bien sea de forma rígida a través de aparatos de apoyo tipo POT guiados, como en los estribos E1 y E2 y pilas P1; P2; P3; P4; P10; P11 y P12, bien de forma elástica, mediante aparatos de apoyo de neopreno zunchado, en el resto de pilas.

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El puente se encuentra en zona de actividad símica, con una aclaración básica del suelo ab=0.06g según la vigente Norma de Construcción Sismoresistente: Puentes NCSP-07 [1].

Dado que la fijación horizontal longitudinal del tablero se realiza en las pilas de mayor altura, y por tanto más flexibles, se consigue un gran aislamiento frente a sismo que, a pesar de todo, sigue siendo limitante del diseño de algunos elementos de la subestructura.

El diseño de la estructura frente a sismo se ha desarrollado con un análisis espectral por superposición modal, tomando las tres combinaciones direccionales y asegurando que el porcentaje de masa movilizada supera, en cualquier dirección, el 90% de la masa ensamblada, La homogeneidad en la altura de las pilas y su ductilidad (expresada en térmicos de curvatura última respecto de la curvatura elástica) permiten considerar un coeficiente de comportamiento q≥1.0 para el sismo transversal.

Dadas las dimensiones del tablero y la altura de pilas, el cambio del procedimiento constructivo para ejecución del tablero vano a vano con autocimbra era natural. En este sentido, la utilización de una cimbra de dimensiones reducidas ha permitido ejecutar el nuevo tablero en unas condiciones geométricas muy limitantes para las maniobras de operación de la autocimbra por proximidad a la estructura existente (en especial las operaciones de avance en el paso por pila y el desmontaje de la autocimbra).

2.2. Cimentaciones.

Todas las cimentaciones son superficiales mediante zapatas apoyadas en el sustrato de granito alterado grado III-IV, excepto en la pila P1 y el estribo E2. El nuevo estudio geotécnico permitió ajustar las cargas admisibles en el terreno consideradas en el proyecto adjudicado, que han podido aumentarse considerablemente, lo que ha permitido la optimización de cimentaciones, que hubiera sido necesaria, en cualquier caso, debido a cambios significativos de cotas de la cara inferior de las zapatas de muchos de los apoyos.

Se admitieron tensiones medias de entre 0.4 y 0.5MPa en el granito alterado, que afloraba a profundidades de entre 4 y 7.0m, limitadas por los asientos máximos admisibles y no por las cargas de rotura, que podrían haber alcanzado hasta los 0.8-1.0MPa.

En la pila P1 la proximidad con una carretera en servicio impidió que se abrieran las excavaciones necesarias para alcanzar el terreno competente, por lo que se recurrió a cimentación mediante 10 pilotes de diámetro 850mm. En el estribo E2 se diseñó también una cimentación profunda que permitió reducir la afectación, por excavación, a la vía en servicio, que se ha mantenido con tráfico y sin restricciones en todas las fases de ejecución del nuevo viaducto.

2.3. Pilas.

Todas las pilas son de sección transversal en hexágono irregular, macizas y con un capitel superior para el doble apoyo del tablero. Los paramentos lisos resultantes son elegantes sin necesidad de ornamentos adicionales. Sólo se ha incluido un berenjeno semicircular en dos de las aristas del hexágono y las necesarias hornacinas para apoyo de las ménsulas de sustentación de la autocimbra.

La existencia de paramentos verticales con orientaciones cambiantes genera alternancias de claros y sombras que acentúan mucho la verticalidad de las pilas. Ver figura 2.

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Para la construcción se han utilizado encofrados deslizantes, con puestas de 5.35m ó 5.70m de altura, que han permitido alcanzar rendimientos muy altos de ejecución. Ver foto 3. Un encofrado metálico reutilizable ha servido para la construcción de todos y cada uno de los capiteles de las 12 pilas.

Foto 2: Vista de las pilas del viaducto acabado. Foto 3: Encofrado deslizante para ejecución de

pilas

Las pilas son esbeltas y ha sido necesario ajustar mucho su armado para no incrementar los costes de ejecución. Se ha realizado un análisis no lineal geométrico y mecánico para evaluar de la forma más precisa posible los efectos de segundo orden. Se trata de un método de cálculo admitido por la actual instrucción de hormigón estructural EHE-08 [2]. El proceso de cálculo se describe con detalle en el apartado 3.- “DISEÑO DE PILAS ESBELTAS” de este artículo.

2.4. Estribos.

El estribo E1 tiene una altura total de 13.85m, por lo que se ha recurrido a una solución de muro frontal con dos contrafuertes. La aleta del lado exterior de la ampliación, de 0.80m de espesor, se ha podido utilizar, además de como elemento de contención del derrame lateral de tierras, como uno de los contrafuertes, el otro es un contrafuerte convencional que no ha sido necesario llevar hasta la coronación del muro y que se ha podido dejar a 5.50m sobre la cara superior de la zapata. Ver foto 4.

Su geometría viene condicionada por la del estribo del viaducto existente, cuya zapata excedía las dimensiones en planta del alzado. El muro frontal se ha debido diseñar para tener un tramo en voladizo, sin zapata debajo, que permitía cerrar el hueco entre los alzados del estribo nuevo y el antiguo.

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La cimentación es directa mediante zapata ya que en esta zona se podían alcanzar los 0.4MPa de tensión admisible.

Foto 4: Vista trasera del estribo E1 en construcción. Pueden observase la aleta y el contrafuerte.

El estribo E2 debía ejecutar muy cerca de la calzada en servicio, por lo que se decidió cambiar su tipología, prevista como estribo cerrado de muro frontal con aletas en vuelta. Se plantea una solución de cargadero sobre pilotes, que se hacen trabajar no sólo como elementos resistentes frete a cargas verticales, sino también como elemento de contención de tierras con la ayuda de una berma delantera. Es esta solución se aprovechan mucho los pilotes, por lo que el alzado del estribo se reduce al mínimo, y la excavación necesaria para su ejecución se consigue mantener alejada de la calzada en servicio.

2.5. Tablero.

El tablero se resuelve con una sección transversal losa de inercia concentrada y de canto constante h=1.60m. La losa se aligera con tres aligeramientos cuasirectagulares que rebajan el consumo de hormigón a 7.2m3 por metro lineal de tablero (0.615m3/m2) y permiten el hormigonado de la sección transversal en una sola fase. Es necesario cambiar las dimensiones de los aligeramientos en las proximidades de las secciones de junta entre fases para alojar los desplazamientos en planta del pretensado. Ver foto 5.

El pretensado consta de 13 familias de tendones, tantas como fases de ejecución del tablero. Cada familia está formada por 6 tendones de 31 cordones de 15mm (BS-5896/80 SUPER -150mm2-) de acero Y1860S7. Este pretensado supone un consumo de 18.75kg de acero activo por metro cuadrado de tablero.

Todos los tendones se empalman con acopladores fijos de cuña invertida en cada junta entre fases, por lo que el pretensado sólo puede ponerse en tensión desde la sección frontal. Los tendones se tesan al 75% de la tensión de rotura y únicamente en el último vano ha sido necesario limitar la fuerzas de pretensado para no tirar de la placa de anclaje del acoplador de la fase anterior.

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Al tratarse de una losa, los trazados de pretensado resultan sencillos y sólo se han tenido que introducir desviaciones en planta en las proximidades de los acopladores y de los anclajes pasivos sobre el estribo E1 y activos sobre el estribo E2.

Resulta igualmente sencillo el armado del tablero, en cuyo despiece se ha puesto especial atención para poder agilizar la ejecución.

Foto 5: Detalle de los aligeramientos y desplazamiento en planta del pretensado.

La simplicidad del tablero, junto con los procedimientos de ejecución puestos a punto, ha permitido alcanzar ritmos de ejecución de hasta un vano por semana a pesar de las dificultades de maniobra de la cimbra, consecuencia de la proximidad al tablero del viaducto existente.

Las herramientas de cálculo disponibles en la actualidad han permitido evaluar de forma muy ajustada la redistribución de esfuerzos por fluencia debida a la evolutividad del esquema estático, lo que ha resultado de gran utilidad en el encaje y verificación del estado tensional de la estructura.

2.6. Procedimiento constructivo.

El principal motivo de intervención de Bridge Technologies S.L. en la construcción de este viaducto ha sido, además de los ya mencionados de optimización de cimentaciones y alzados de pilas, la modificación del procedimiento constructivo para ejecución del tablero vano a vano con autocimbra. Ver procedimiento constructivo general en Foto 6.

Dada la configuración de aparatos de apoyo del tablero fue necesario crear una fijación provisional al estribo E1 frente a fuerzas horizontales longitudinales, hasta que se empezó a construir sobre pilas con apoyos de neopreno zunchado. La fijación provisional se diseñó para soportar el rozamiento en los teflones de los apoyos de neopreno confinado y, dada la duración de las obras, no fue necesario diseñarla para soportar el sismo de construcción.

El uso de la autocimbra presentaba, en este caso, tres singularidades, dos de ellas relativamente frecuentes:

- La proximidad de la calzada existente en servicio no permitió la una excavación general en la zona del estribo E1, desde el que se empieza a construir el tablero, por lo que fue

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necesario montar la autocimbra en el aire con apoyos en torres provisionales entre el estribo y la pila. En este caso, al no haberse construido aún ningún vano del tablero, las operaciones de montaje de la cimbra resultaron relativamente sencillas.

Foto 6: Procedimiento constructivo general del viaducto.

- El mismo problema impidió que la cimbra atravesase el estribo E2 para su desmontaje sobre el terreno, por lo que también se hubo de desmontar en el aire, con el agravante de estar sobre un talud de grandes dimensiones y de tener el acceso al cuchillo interior de la cimbra muy entorpecido por la propia estructura construida. En este caso fue necesario recurrir a dos grúas de 60 Tn sobre el tablero y a apeos provisionales para el desmontaje de la autocimbra.

- La proximidad al tablero del viaducto existente limitaba mucho la abertura de la cimbra para el paso por secciones de pila, lo que penalizó mucho los plazos de estas maniobras. Esta es, sin duda, la mayor dificultad encontrada en relación al uso de la autocimbra, a pesar de disponer, en este caso, de cuchillos de alma llena de dimensiones muy contenidas. Ver foto 6.

A pesar de todas las dificultades se alcanzaron ritmos de hasta 1 vano por semana, gracias, entre otras cosas a:

- Proceso de premontaje de ferralla en el suelo, sobre un parque móvil que podía desplazarse a medida que avanzaba la ejecución del tablero. Ver foto 7

- La ferralla premontada se izaba, incluso con las vainas de pretensado, hasta el tablero por tramos de longitudes cuyo peso fuese manejable con medios disponibles, por lo que para definir el patrón de armado y el despiece de armadura pasiva del tablero se usaron criterios no solo estructurales. Ver foto 8.

Fue necesario, en ambos casos, diseñar estructuras auxiliares sencillas que, sin embargo, supusieron una gran diferencia en fase de ejecución ya que permitieron optimizar mucho los recursos y garantizar unas condiciones de ejecución óptimas desde el punto de vista de seguridad de los trabajadores y de calidad de los trabajos realizados.

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Foto 6: Autocimbra en posición de trabajo (cerrada) y proximidad al viaducto existente.

Foto 7: parque móvil de premontaje de ferralla

3. DISEÑO DE PILAS ESBELTAS.

Para el diseño de las pilas, con alturas de hasta 29.0m y esbelteces mecánicas de hasta =105, se ha recurrido a un análisis no lineal geométrico y mecánico que ha permitido evaluar, de forma lo más ajustada posible, los efectos de según orden a tener en cuenta en el diseño de cimentaciones y alzados de pilas.

El cálculo ajustado ha arrojado resultados en los que la amplificación de momentos por efectos de segundo orden alcanzan valores máximos de un 40% para la hipótesis pésima, y rondan un 20% para las hipótesis más habituales. Estos valores resultan bastante más contenidos que los evaluados con el método simplificado de la instrucción EHE, que resulta muy conservador en estos casos.

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Figura 8: Izado de la ferralla con estructura auxiliar de cuelgue.

Para que el análisis no lineal sea correcto hay que evaluar la no linealidad mecánica con las armaduras definitivas, lo que exige un cierto proceso iterativo hasta dar con el patrón de armado válido para todas las hipótesis. El armado influye en la curvatura de las secciones bajo las cargas de análisis y, por lo tanto, en las flechas totales de la ménsula, por lo que afectan de forma directa a los efectos de 2º orden evaluados.

El análisis no lineal se ha llevado a cabo con un programa informático que permitía tener en cuenta:

- Desplazamiento del punto de aplicación de la reacción en ambas direcciones.

- Desplome vertical de la pila, por defectos de ejecución, en ambas direcciones.

- Rigidez a giros, en ambas direcciones, de la cimentación.

- Fluencia del hormigón.

Para tener en cuenta la fluencia del hormigón se hace una homotecia del diagrame tensión-deformación característico, de modo que a una tensión , le corresponde una deformación en t=0 y una deformación ·(1+) en t=infinito. Esto requiere de un tratamiento de la fluencia cuidadoso, pues si se aplica el coeficiente de fluencia remanente a toda la acción en cabeza de pila, se estarían amplificando los esfuerzos por efectos de segundo orden no sólo para las acciones cuasipermanentes, que son las que originan amplificación de deformaciones por fluencia, sino también para las acciones variables, que difícilmente las provocan. Para tener en cuenta este efecto en el cálculo, se utiliza un coeficiente de fluencia corregido que tiene en cuenta:

- Los efectos remanentes de la fluencia, es decir, descontando el intervalo de tiempo entre la ejecución de la pila y la puesta en carga de la misma por construcción del tablero.

- La relación entre cargas cuasipermanentes y cargas características, de modo que se consiga un diagrama tensión-deformación virtual con el que se sólo se simula la amplificación de deformación en el hormigón por cargas de larga duración. Las cargas cuaispermanentes y características son las combinadas según la vigente instrucción de acciones a considerar en el diseño de puentes de carretera IAP-98 [3].

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El no tener en cuenta estos efectos conduce a resultados muy conservadores y poco representativos de la realidad, por lo que es necesaria su inclusión en el cálculo. Con los ritmos de trabajo previstos, el coeficiente de fluencia a tener en cuenta en el análisis no lineal es de ’’=0.85, mientras que el coeficiente de fluencia remanente del hormigón de las pilas sería de ’=1.40, y el total =3,1.

Para el análisis no lineal sólo se podían definir las acciones repartidas en el fuste y las acciones en cabeza de las pilas. Para tener en cuenta las fuerzas inerciales de los alzados en situación accidental de sismo, se ajustaron los cortantes a aplicar en cabeza de pila de modo que se garantizase que la solicitación pésima, la del empotramiento con la cimentación, era la correcta.

4. CONCLUSIONES.

Se desarrolla la ingeniera de construcción del nuevo viaducto de Osormort, que requiere del recálculo completo de todos los elementos de subestructura y del tablero. Para el recálculo se respeta la implantación y la arquitectura definidos en el proyecto adjudicado, por ser así voluntad del Contratista adjudicatario de las obras.

El trabajo conjunto de Contratista y Bridges Technologies S.L. ha permitido diseñar procedimientos de ejecución de alto rendimiento que han permitido optimizar la construcción y ajustar los costes.

Se han tenido que usar métodos de análisis estructural avanzados que han permitido acotar mucho el estado tensional del tablero y la evaluación de los efectos de segundo orden en las pilas esbeltas.

5. BIBLIOGRAFÍA.

[1] MINISTERIO DE FOMENTO: Norma de construcción sismoresistente: Puentes (NCSP-07), 2008

[2] MINISTERIO DE FOMENTO: Instrucción de hormigón estructural (EHE-08), 2008

[3] MINISTERIO DE FOMENTO: Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera (IAP), 1998

6. RELACIÓN DE PARTICIPANTES.

Propiedad: Servei Territorial de Carreteras de la Generalitat de Catalunya

Promotor: CEDINSA

Ingeniería estructural y asistencia técnica a obra: Tomás Polo Orodea. Bridges Technologies S.L.

Asesoría estructural: Ángel C. Aparicio Bengoechea. ETSECCPB (UPC)

Directora de Obra: Beatriz Domingo Rimada.

Empresa constructora: COPISA

Jefe de Obra: Jordi Pirretas Martí

Jefe producción estructuras: Meritxell Samitier Allue