Puentes de viga-cajón - APTA · Puentes de viga-cajón PUENTE DEL CENTENARI PUENTE DE GARCÍA SOLA 9 completo, ya que reproduce todos los elementos del puente, cimentaciones, pilas,

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Puentes de viga-cajón

PUENTE DEL CENTENARI PUENTE DE GARCÍA SOLA

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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: Puente de celosía Ubicación: Acceso a Monserrat - Barcelona Puesta en servicio: Junio 2000 (15 meses ejecución) Propiedad: Ferrocarriles de la Generalitat de Cataluña. Ingeniería: J.Manterola, M.Á.Gil - Carlos Fernández Casado S.L. Contratista General: Fomento de Construcciones y Contratas Dirección de Obra: Josep Comellas Tablero metálico: ITURMO Control de Obra: 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: Puente de celosía Puesta en servicio: 2004 Propiedad: MINISTERIO DE FOMENTO Ingeniería: J.Manterola, M.Á.Gil - Carlos Fernández Casado S.L. Contratista General: SACYR Dirección de Obra: Manuel Bruno Tablero metálico: HORTA Control de Obra: INTEMAC

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




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Fig. 23a Fig. 23b Fig. 24




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Fig.25

Fig. 26




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Fig. 27

Fig. 28

Fig. 29




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Fig. 30

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