1 PEDELTA, S. L., Ingeniería de Estructuras, Barcelona (España), E-mail: pedelta@pedelta.es

PUENTES MIXTOS DEL ACCESO AL PEAJE

GERONA SUR, ESPAÑA

Juan A. SOBRINO1

Dr. Ingeniero de Caminos, 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 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. 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 Coloma de Farners) se inscriben dentro del proyecto de mejora del acceso al peaje Gerona Sur de la autopista A-7 desde la Travesía de Gerona (antigua N-II), 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 sentido), presentando sus secciones transversales una anchura importante de 22.8 m (fig. 2). Los trazados en planta de las plataformas de los dos tableros (fig. 3) discurren prácticamente en zona de circunferencia con suaves radios de curvatura (500 m de radio en el puente del enlace con la N-II y unos 1000 m en el puente de Santa Coloma de Farners).

Figura 1 Alzado del puente de la rotonda del enlace con la N-II

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 de Farners, medidos según el desarrollo del eje de la plataforma ) 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. 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 presentan ancho variable entre 0.4 y 0.6 m, efectuándose el recrecido hacia el interior del 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 3 Planta del puente de la rotonda del enlace con la N-II

Figura 2 Sección transversal de ambos puentes sobre pila

Figura 5 Secciones transversales tipo de ambos puentes sobre pila

Figura 4 Secciones transversales tipo de ambos puentes en centro vano

Figura 6 Secciones transversales tipo con doble 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. 2. CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES 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 optimizaron todos los elementos estructurales 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 simplificado. El segundo modelo empleado en los cálculos estructurales está constituido por elementos finitos tipo lámina y barra tridimensional (fig. 8). Este último modelo, si bien resulta mucho más

Figura 7 Puentes en construcción

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 estructural del tablero, la losa de hormigón se ha representado con las características mecánicas (módulo de deformación 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. 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.

Figura 8 Modelo del tablero mediante elementos finitos tipo lámina y barra

Rasante (T/m)

0

100

200

300

Distancia a Estribo 1

Rasante (T/m)

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 tensiones obtenidas con dicho modelo de cálculo se han contrastado con aquellos derivados del modelo de emparrillado. En la Tabla 1 se muestran los resultados parciales del cálculo del ancho de reducción elástica de las alas ψe obtenidos a partir del modelo de cálculo mediante elementos finitos y la formulación propuesta en la RPX-95 (Recomendaciones para el Proyecto de Puentes Mixtos para Carreteras), comprobándose que el coeficiente de reducción elástica de la RPX es conservador para la zona de pilas, constatándose lo contrario en la sección centro luz del vano central.

Tabla 1 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 11 y 12 se resume la distribución de peso de la estructura metálica para los distintos elementos que constituyen las vigas metálicas.

Figura 10 Distribución de tensiones en la chapa inferior del cajón en centro luz del vano central y sobre pila bajo las acciones permanentes

Zona Sección Análisis MEF RPX-95 Diferencia entre MEF y RPX

Centro luz vano 2 0.83 0.97 -14 % Chapa Inferior

Pila 0.70 0.59 19%

Centro luz vano 2 0.79 0.94 -15% Losa superior

Pila 0.57 0.53 7 %

% de Peso de acero estructuralPuente Enlace N-II

82,8%

4,0% 11,0%2,2%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Chapa Rigidizadores Diafragmas Arriostramientos

Elemento

% p

eso

resp

ecto

tot

al

% Cuantia

Figura 11 Distribución del peso de acero estructural del tablero en los distintos elementos estructurales expresado en % respecto al peso total de acero del tablero

Figura 12 Distribución del peso de acero estructural del tablero en los distintos elementos estructurales expresado en Kg

Cuantías de acero estructuralPuente Enlace N-II

72,4

3,5 9,61,9

87,4

0

20

40

60

80

100

Chapa Rigidizadores Diafragmas Arriostramientos Total

Elemento

Cua

ntía

(K

g/m

2 ta

bler

o)

Presupuesto de Ejecución Material (%)2%

4%

10%

72%

12%Movimiento Tierras

Pilas

Estribos

Tablero

Acabados

El coste total del tablero representa en los puentes estudiados un 72 % del coste total del puente (fig. 13), justificando este hecho el exhaustivo análisis estructural realizado con el ánimo de optimizar el empleo del material.

Figura 13 Desglose por capítulos del presu-puesto de ejecución material del 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 semi-sección Los apeos provisionales se han separado aproximadamente 4.0 m, de forma que las cargas máximas sobre dichos elementos durante la ejecución son menores a 40 T, pudiendo emplear apeos convencionales de coste reducido (fig. 15). Una vez montadas las dos vigas metálicas del tablero se hormigona el refuerzo inferior en la zona de apoyos sobre pilas (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 constructivo

Figura 15 Vista inferior del

puente durante construcción

4. CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES 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.