Análisis del sistema constructivo Empuje de Puentes, aplicado a Puentes mixtos

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1 Análisis del sistema constructivo Empuje de Puentes, aplicado a Puentes mixtos Tesis para optar al Titulo de: Ingeniero Civil en Obras Civiles Profesor Patrocinante: Dr. Ing. Frank Schanack. RAÚL ALEJANDRO CÁRCAMO VENEGAS VALDIVIA 2011

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3 RESUMEN El empuje de puentes es un procedimiento por el cual el puente o secciones de éste son construidos en lugares favorables, para luego ser empujados a su lugar definitivo mediante elementos hidráulicos. La principal complicación, es controlar los momentos flectores que se van produciendo a través del empuje, debido a que las secciones sufrirán esfuerzos de momentos flectores, tanto negativos como positivo, por el avance de la viga continua sobre las pilas. Además, existirá un elevado momento flector negativo en el dintel justo sobre la pila anterior cuando la viga continua esté a punto de alcanzar la pila siguiente, debido al efecto ménsula. Se ejemplificó un modelo de elementos finitos tipo vigas del viaducto mixto español Regueirón, mediante el software SOFiSTiK; en el cual se utilizaron todos los estados de carga que se producían durante el empuje. Para controlar los momentos, se compararon dos sistemas estructurales temporales que controlaban, unificaban y reducían los momentos flectores. Los sistemas estructurales fueron; una nariz de perfiles de acero en celosía, que se ensamblaba al comienzo de la superestructura a empujar; y una torre de atirantamiento temporal, que atiranta la parte delantera de la superestructura. Del análisis se desprende, que el mejor mecanismo es la torre de atirantamiento para controlar los momentos flectores, que se ejercen durante el lanzamiento del viaducto Regueirón. Así mismo, existen ventajas económicas frente a la nariz de lanzamiento, para realizar el mismo control de esfuerzos. En sí, éste procedimiento sería perfectamente utilizable en Chile para construir puentes mixtos. 3

4 ABSTRACT Bridge launching is a construction method by which a bridge or its sections are fabricated in favorable sites, and then are launched to their final positions by means of hydraulic machinery. The main complication in this process is controlling the bending moments in the continuous beam (positive and negative), produced during the launching of such beam. There will be high negative moments in the superstructure when the beam has almost reached the next pier. The high negative moments are mainly due to the cantilever effect. This has been demonstrated in an analysis model of the continuous beams of the 560 m long Spanish composite bridge Regueirón using the finite element software SOFiSTiK. In this model, all of the states of load of the continuous beam were analyzed by the software. To control, reduce and unify the bending moments, two different temporary support structures were compared. The first temporary structure was a steel launching nose assembled to the superstructure in front of the continuous beam. The second temporary structure was a tower with strand tendons. The tendons were used to pull the head of the continuous beam in order to reduce transitory stresses. After a full analysis of both temporary support systems, it was found that the most efficient system was the tower with strand tendons. This was the preferred method because of better control over the stresses in the continuous beam, and the tower also demonstrated a lower cost. To conclude, the bridge launching system is a promising new technology in composite bridge construction. This system is very desirable over other techniques, and has proved to be a viable option that should be utilized in Chile. 4

5 INDICE CAPÍTULO I. Introducción Planteamiento del problema Objetivos de la Memoria de Título Objetivo general Objetivos específicos Metodología CAPÍTULO II. Marco Teórico Principales métodos de construcción de puentes Cimbras apoyadas en el suelo Avance en voladizo Método de construcción de puentes mediante empuje Elementos del proceso constructivo mediante empuje Parque de fabricación Empuje mediante gatos Hidráulicos Empuje mediante gatos Hidráulicos y barras de empuje Empuje mediante gatos hidráulicos y rozamiento Apoyos deslizantes para lanzamiento Guías laterales Problemas derivados del empuje Efecto ménsula Nariz o pico de avance Parámetros de diseño Torre de atirantamiento Pilas provisorias Deslizamiento excesivo de la superestructura Puentes mixtos Puentes mixtos con secciones tipo cajón

6 CAPÍTULO III. Estudio del Diseño Modelo de Estudio Emplazamiento Características longitudinales Características transversales Características de la Subestructura Empuje de la superestructura Datos Estructurales Modelamiento Secciones Apoyos verticales Apoyos Laterales Parque de empuje CAPÍTULO IV Análisis y resultados Aplicación de empuje al modelo de estudio Empuje del Viaducto de Regueirón con y sin losa de hormigón armado Empuje del Viaducto de Regueirón sin losa de hormigón armado Empuje del Viaducto de Regueirón con losa de hormigón armado Empuje del Viaducto de Regueirón con elementos estructurales auxiliares Empuje del viaducto de Regueirón con nariz o pico de avance Estudio del largo de la nariz de avance Empuje del viaducto de Regueirón con nariz de avance de 52 m Empuje del Viaducto de Regueirón con torre de atirantamiento temporal Estudio de la altura de la torre de atirantamiento Empuje del viaducto de Regueirón con torre de atirantamiento temporal de 20 m de altura Diseño de los cables de la torre de atirantamiento Elección de la estructura auxiliar para el Viaducto de Regueirón CAPÍTULO V Empuje de puentes en Chile Empuje del Puente Amolanas en la Región de Coquimbo, Chile

7 CAPÍTULO VI. Conclusiones BIBLIOGRAFÍA ANEXO I: Distribución nodal de los elementos finitos tipo viga ANEXO II: Principales momentos flectores del Viaducto de Regueirón sin losa de hormigón ANEXO III: Fotografías del Viaducto de Regueirón en sus fases de empuje

8 CAPÍTULO I. Introducción. 1.1 Planteamiento del problema. Desde botar un árbol para superar accidentes geográficos, hasta crear grandes obras de ingeniería para conexión entre países; los puentes desde sus orígenes han significado más que un simple proyecto de ingeniería civil. Los puentes son un símbolo de conectividad urbana, unión de distintas culturas, comunicación, trabajo, desarrollo, etcétera. En sí, un puente es una estructura artificial construida y diseñada para salvar accidentes geográficos como cañones, ríos, valle, o cualquier otro obstáculo que se desee superar. El diseño de un puente varía según su funcionalidad, sistema estructural, material, emplazamiento, método de construcción, etcétera; siendo el estudio de diseño de un puente diferente uno del otro. Todos estos parámetros deben ser puestos a análisis y el Ingeniero Civil debe tomar en cuenta cuales predominan. Los puentes mixtos construidos de acero y hormigón, es una combinación de materiales más utilizada en el último tiempo, debido a sus grandes luces y a su reducido peso propio, compuestos por una alma metálica de acero y una losa de hormigón construida in situ o prefabricada; hacen que la combinación del acero estructural que trabaja muy bien a la tracción y el hormigón que por su bajo costo en función a su resistencia a la compresión; sea de gran interés para ingenieros, estudiándolos y mejorándolos cada día. Un análisis de gran importancia en el estudio del diseño, son sus diferentes sistemas de construcción que llevarán a concretar el proyecto. En la actualidad, especialmente en los últimos 50 años, se han desarrollado una gran variedad de diferentes sistemas de construcción, sistemas que bajo condiciones óptimas logran ventajas inimaginables. Dentro de la variedad de métodos de construcción, el empuje de puentes ofrece ventajas tanto para el propietario como para el contratista, a la hora de hablar de puentes con grandes luces y alturas significativas. Una de las principales ventajas es la supresión de la cimbra, logrando con ello una perturbación mínima al entorno; como por ejemplo en un área ecológicamente protegida, en valles profundos, ríos caudalosos, cuestas escarpadas, etcétera. Es así como este sistema constructivo se ha utilizado con gran éxito en Europa, uno de los iconos de la 8

9 construcción de puentes mediante empuje, fue la realización del Viaducto de Millau en el año 2004 con un poco más de 2 Km de longitud y a 343 m de altura. Otra característica destacada en empuje de puentes, es el nivel de prefabricación de las dovelas que se puede lograr, contribuyendo a la rapidez de ejecución del empuje; disminuyendo con ello el costo total de la obra en función de la cantidad de luces a ejecutar. También es destacable, un ambiente de mayor seguridad que se puede lograr para los trabajadores, debido a la concentración de las áreas de trabajo. En Chile, la primera construcción de puentes mediante empuje, es la construcción del puente carretero más alto de Chile; el Puente Amolanas, con aproximados 268 m de longitud total y un poco más de 100 metros de altura. Su emplazamiento es ruta 5 norte entre los tramos de Los Vilos y La Serena, su construcción se lleva a cabo entre los años 1999 y 2000 con un poco más de 15 meses. De esta manera, el sistema de construcción a emplear puede tener una influencia decisiva sobre las primeras etapas de diseño de un puente, es por esto que surge la inquietud de un estudio minucioso de cómo aplicar el empuje de puentes, sistema constructivo novedoso y exitoso, a puentes mixtos de gran popularidad en el diseño de puentes; tomando en cuenta sus diferentes variables de diseño. 9

10 1.2 Objetivos de la Memoria de Título Objetivo general. Realizar el análisis del empuje del Viaducto de Regueirón de tableros mixtos; determinando que factores son influyentes para reducir el coste y esfuerzos en la estructura mediante la utilización del programa de elementos finitos SOFiSTiK Objetivos específicos. Analizar los momentos flectores que se generan mediante el empuje de los tableros, describiendo los esfuerzos de los elementos involucrados. Realizar un análisis del lanzamiento del Viaducto de Regueirón, analizando dos estructuras auxiliares para el lanzamiento: La nariz o pico de avance y la torre de atirantamiento temporal. Estudiar los parámetros del Viaducto de Regueirón que son necesarios para la utilización óptima del sistema constructivo empuje de puentes. Parámetros como: el largo y altura del puente; la cantidad de vanos y longitud de estos; su alineación en planta para el determinado empuje; y las pendientes longitudinales y transversales. 10

11 1.3 Metodología. Se comenzará con un estudio exploratorio del material relacionado con el tema, con el fin de recabar la mayor información posible sobre sistemas constructivos y sus avances que se han presentado a través de los últimos años. Se reunirá la información específica de empujes de puentes para el estudio de la disminución de los esfuerzos, logrando agrupar esta información en función de parámetros de diseño que se analizarán comparativamente. Se estudiará el programa de elementos finitos SOFiSTiK, realizando ensayos de diferentes modelaciones y estudiando la documentación del programa, como ejemplos y manuales que entrega SOFiSTiK. Se estudiará mediante SOFiSTiK, el empuje para determinadas estructuras y peso propio del sistema, específicamente los elementos que influyen en el lanzamiento del Viaducto de Regueirón. Se realizará un modelo de análisis del Viaducto de Regueirón, en el que se evaluarán las dificultades, ventajas y desventajas que es el empuje de ésta estructura, comparando un modelo de elementos finitos tipo vigas con losa de hormigón y otro sin losa de hormigón. Se pretende analizar las estructuras auxiliares que se utilizan para el proceso de empuje de puentes; analizando específicamente parámetros estructurales que hacen influir en los esfuerzos de la superestructructura, mediante diferentes largos de la nariz o pico de avance; y de las diferentes alturas de la torre de atirantamiento. Éste análisis se llevará acabo, a través de modelaciones del Viaducto de Regueirón con empuje, utilizando narices de avance de 60, 64 y 68 m. También se realizará el empuje del viaducto con 4 diferentes modelos de elementos finitos de torres de atirantamiento de 10, 15, 20 y 25 m de altura. Luego de realizado estos estudios previos antes mencionado, se hará el estudio de conclusiones relacionado a los objetivos planteados. 11

12 CAPÍTULO II. Marco Teórico. 2.1 Principales métodos de construcción de puentes. Existe una gran variedad de sistemas para la construcción de puentes, desde los más simples como es la cimbra en el suelo, hasta elaborados sistemas constructivos que conlleva a ventajas destacables para el desarrollo del proyecto. El empuje de puentes, está dentro de esta gran gama de métodos constructivos desarrollando y alcanzando grandes avances en estos últimos años. A continuación se detallarán algunos de estos sistemas constructivos Cimbras apoyadas en el suelo. Cimbra compuesta de tubos metálicos o de madera, por su simplicidad es bastante utilizada para puentes de baja o media altura, en ésta se apoya el encofrado de madera la que le dá la forma geométrica que necesita para la elaboración determinada del dintel que se necesita construir. Fig. Nº1. Figura Nº1: Cimbras apoyadas en el suelo. Fuente: Cortesía Empresa Ulma. 12

13 Los tubos metálicos se apoyan directamente en el suelo a través de tablones de madera, una de las grandes ventajas estructurales que ofrece este sistema constructivo es evitar considerar estados de construcción en el dimensionamiento de la estructura que se está diseñando. Para puentes de hormigón armado y pretensado que contiene varios vanos sucesivos, el procedimiento de cimbra se va realizando tramo a tramo y la construcción se va haciendo in situ. Una vez que se ha hormigonado un tramo, se pretensa, se descimbra y se desencofra. Este procedimiento de ejecución sucesiva trae una economización de la cimbra y del encofrado Avance en voladizo. El método constructivo de avance en voladizo, es mediante el cual se desarrollan los tramos de la superestructura a través de la elaboración sucesiva desde la pila hacia el centro del vano mediante un carro de avance que encofra y desencofra las secciones; y los diferentes tramos se van sosteniendo por el tramo anterior. Este procedimiento se va desarrollando a ambos lados de la pila para equilibrar los momentos flectores que se van produciendo. Se desarrolla el procedimiento de avance en voladizo para la realización de puentes a gran escala, en donde los valles profundos en zonas montañosas o curso de aguas ininterrumpible; hacen que éste sistema sea utilizado con gran frecuencia debido a la carencia de soporte en tierra; por lo contrario, la utilización de pilas intermedias temporales incrementaría considerablemente el coste de la obra en ejecución. Es así como también ofrece ventajas para puentes con grandes luces y generalmente con vigas de canto variable, siendo la alimentación de la obra a través de las pilas [Manterola, J. 2006]. 13

14 El avance en voladizo se utiliza para diferentes tipologías estructurales de puentes, como lo son puentes rectos, puentes arcos y puentes atirantados; compuesto de hormigón, metálicos o mixtos. En puentes de tipología de arcos se utiliza un mástil auxiliar para ayudar a la formación del arco y evitar el desarme de la estructura mediante tirantes provisionales (Fig. Nº2.). En puentes atirantados los tirantes provisionales van a los pilonos, los cuales forman parte de la tipología de la estructura. Figura Nº2: Arco mediante avance en voladizo. Fuente: Cortesía Empresa Incop. Uno de los conflictos que se presentan en el avance en voladizo, es el hecho que a medida que se va ejecutando la construcción de los tramos, genera momentos flectores de una viga en voladizo o ménsula; al instante de empalmar con el otro extremo en el centro del vano, estos momentos pasan a generarse casi totalmente contrarios a los esfuerzos de la ménsula y se generar momentos flectores relativos a una viga continua, por lo cual, cuando se diseña la superestructura, éstos cambios de momentos deben ser considerados. 14

15 Esta técnica se ha desarrollado desde tiempos de la roma antigua, cuando a los puentes elaborados por troncos de árboles se le colocaban rocas como contrapeso. Ya en el año 1930 se realiza en Brasil la primera construcción en voladizo sucesivo en un puente de hormigón armado, siendo desarrollado hasta el día de hoy para la construcción de puentes hormigonados in situ, como para aquellos que usan la prefabricación de las dovelas en factoría [Manterola, J. 2006]. Fig. Nº3. Figura Nº3: Avance en voladizo, Viaducto de Pujayo, España. Fuente: Óscar Ramón Ramos, Otra de las desventajas que presenta el avance en voladizo, es debido al hormigonado in situ de los diferentes tramos de la superestructura; los cuales cuando se presentan gran cantidad de vanos sucesivos y tramos de grandes extensiones, toma demasiado tiempo el arme y desarme del carro de avance que encofra y desencofra las secciones. Por otro lado, la no conectividad entre las pilas donde se van generando las diferentes secciones, trae problemas logísticos para el suministro de materiales, trabajadores, maquinarias etc. 15

16 Una de las soluciones que se ideó para este tipo de inconvenientes del hormigonado in situ, fue la creación de una viga autolanzable; en la cual la viga es apoyada en la pila siguiente y su encofrado se va movilizando sin inconvenientes. La rigidez ofrecida por la viga, es utilizada para montar el carro de avance que hormigona las secciones, entregando bastante maniobrabilidad del encofrado, no necesitando armar y desarmar el carro de avance, por cuanto éste sólo se desliza a su nueva posición para seguir hormigonando. Fig. Nº4. Figura 4: Viga autolanzable, Viaducto de Llobregat. Fuente: Jornadas de hormigón, Universidad Politécnica de Cataluña,

17 2.2 Método de construcción de puentes mediante empuje. El método de construcción que se elija para la realización de un determinado puente, dependerá de la morfología del sistema estructural del puente, forma, lugar de emplazamiento, material, etc. La construcción de puentes mediante empuje, se debe tomar en cuenta todos estos antecedentes previos para decidir este determinado sistema. El empuje de puentes es un procedimiento por el cual el puente o secciones de éste son construidos en zonas o lugares favorables, ubicados de tal forma que permitan la alimentación de materiales como también para los propios trabajadores que realizan esta tarea, para luego ser empujados o lanzados mediante elementos de empuje hidráulico a su lugar definitivo. Este procedimiento ha sido desarrollado desde el siglo XIX, mediante obras de aceros livianas y resistentes. Ya en el año 1959 se realiza el primer intento de segmentos de hormigones prefabricados para cubrir el Río Ager en Austria y seguidamente el año 1962, fue la primera aplicación en puentes de hormigón pretensado sobre el Río Caroni en Venezuela; procedimiento que se realizó por F. Leonhardt y W. Baur. [Rosignoli, M. 2002]. En los últimos años hasta la actualidad, éste sistema constructivo se ha masificado, llegando a ser una real y factible alternativa de construcción de puentes. Las nuevas técnicas computacionales, la introducción de software de elementos finitos que colaboran con el cálculo estructural más exacto, los desarrollos tecnológicos de pretensados, el mejoramiento y conocimiento de materiales; como lo son mejores hormigones y la aparición del teflón, la elaboración de nuevos mecanismos hidráulicos, entre otros; han sido favorables para la expansión de este sistema constructivo. Otro antecedente de tener en cuenta, en países industrializados, fácilmente la ejecución de la obra cubre casi el 50% del porcentaje total de la construcción de puentes; por lo tanto, para disminuir el costo de ejecución se requiere la industrialización del proceso para que la inversión sea amortizada [Rosignoli, M. 2002]. El costo que implica implementar este sistema, puede ser mencionado como una desventaja comparada a otros métodos de construcción; debido a que requiere de elementos y profesionales especialistas en este tipo de sistema para la ejecución del proceso de empuje, que sin lugar a duda, es de un mayor costo económico comparado con los sistemas convencionales de construcción de puentes. 17

18 Pese al mayor coste que implica implementar el sistema constructivo mediante empuje, éste está siendo de bastante utilización en los últimos años; el hecho radica a las ventajas que ofrece este sistema. En primer lugar, la independencia de trabajo que ofrece; debido a que la estructura del puente se construye fuera de su ubicación definitiva, siendo muy útil cuando encontramos proyectos en valles profundos, ríos, accidentes geográficos como quebradas, o estructuras ya existentes; permitiendo la ejecución de construcción sin mayores problemas. En segundo lugar, se puede mencionar la seguridad para los trabajadores, beneficioso por la ejecución de los trabajos en áreas especialmente adaptadas al nivel del suelo y los trabajos en altura son los mínimos. Finalmente, no se puede dejar de mencionar la reducción del impacto ambiental en la ejecución de la obra; todo el trabajo queda delimitado a exactamente el trazado real del puente o viaducto, logrando no alterar mayormente el área de ejecución no siendo necesario ocupar otras áreas diferentes a las del trazado original. Una ventaja del sistema estructural de la superestructura que se genera mediante el empuje de puente, es que al ser lanzado las secciones una a una y al ensamblarlas, soldarlas u hormigonarlas; se crea una viga continua en toda su sección, entregando ventajas debido a la morfología propiamente tal de este tipo de puentes, las cuales se pueden nombrar entre otras: Menor cantidad de material con respecto a otros sistemas estructurales como por ejemplo comparadas a puentes vigas. Mayor control de deflexión y fatiga Al eliminar los nodos intermedios, aumenta la respuesta a fuerzas horizontales sísmicas Al tener menos juntas de dilatación, decrece el costo de mantención. [Rosignoli, M. 2002] y [Manterola, J. 2006]. 18

19 Todas estas ventajas, tanto del sistema de construcción como de la tipología estructural de viga continua, han permitido mitigar en gran parte las desventajas económicas de este proceso y han dado paso a la industrialización de la construcción de puentes. Fig.Nº5. Figura Nº5: Viaducto de Millau, construcción mediante empuje. Fuente: Cortesía Empresa Enerpac. Algunas condiciones geométricas para la correcta y eficiente ejecución de esté método constructivo son: El canto de la superestructura a lanzar debe ser constante, para evitar desajustes en la alineación vertical. Debe existir un alineamiento en planta por el cual pueda ser empujada la superestructura, como lo son en una recta, circunferencia constante, hélice de paso constante y elipse. En el caso de existir doble alineamiento, existe la posibilidad de lanzar la superestructura desde ambos estribos, con el propósito de ejecutarla con el alineamiento propio y enlazarse donde se produce el cambio de alineamiento. Un ancho constante; en el caso de anchos variables no significativas, pueden ser corregidas mediante el ajuste de las guías laterales. Lograr que los tramos de lanzamiento sean con el mínimo peso propio posible; en el caso de puentes mixtos, se recomienda que el lanzamiento sea sin la losa de hormigón ni la carpeta de rodado. [Rosignoli, M. 2002]. 19

20 2.2.1 Elementos del proceso constructivo mediante empuje. Existen innumerables elementos que componen este sistema constructivo, pero existe elementos que son imprescindible para el procedimientos de empuje y la combinación de todos o de algunos de ellos llevan a la estructura a su posición final Parque de fabricación. El parque de fabricación se puede definir como la estructura auxiliar que está conectada a los estribos del futuro puente a distancia de una sección. Área en la cual la resistencia del terreno colabora con el proceso de empuje y se realiza todo el proceso de construcción de las secciones del puente a lanzar, desde realizar el encofrado hasta armaduras, rigidizadores, diafragmas, etc., pudiendo esta área ser techada para no depender de factores climatológicos en la elaboración o ensamble de las secciones. Las diferentes secciones pueden ser construidas in situ o prefabricadas y ensambladas en el parque de fabricación. Estas secciones deben ser diseñadas y construidas con una misma longitud, para lograr un grado de industrialización del proceso; en el caso de secciones hormigonadas in situ, para efectuar un ciclo repetitivo del encofrado; o en secciones que se ensamblan en el parque de fabricación, ayudará a no mover excesivamente soportes que ayuden a soldar o acoplar las secciones. Para puentes mixtos que son lanzados, existe la posibilidad de ser empujados con o sin losa de hormigón, siendo las secciones de acero estructural ensambladas y soldadas en el parque de fabricación, una vez realizada las soldaduras de acoplamiento se elaborará la losa de hormigón, en el caso de que fuese a lanzarse con ella; de lo contrario la losa se ejecutará una vez que la superestructura de acero quede en su lugar definitivo. Fig. Nº6. 20

21 Figura Nº 6: Parque de fabricación Fuente: Marco Rosignoli Para el caso de puentes de hormigón armado, existe la posibilidad de utilizar secciones prefabricadas o de hormigonarlas in situ; ambas deben ser ensambladas con armaduras pretensadas para que puedan resistir el empuje en todo el trayecto. Fig.Nº7. Figura Nº 7: Parque de fabricación, para dinteles de hormigón. Fuente: Ibon Ascargorta,

22 Para la realización del encofrado y el ensamble de las secciones de hormigón o de acero, debe realizarse con la mayor exactitud posible; errores de nivelación o de ensamble podría resultar catastróficas al momento de que el puente sea empujado, debido a la sobre tensión de las diferencias de presiones que ejercería la sección sobre la pila durante el lanzamiento. Es por esto que debe chequearse en todo momento los niveles y ensambles de la estructura Empuje mediante gatos Hidráulicos. Existe una gran variedad de gatos hidráulicos para realizar empuje de puentes, pero se diferencian dos técnicas bastante claras; una por gatos hidráulicos que tiran de barras de pretensado y la otra, un procedimiento mediante gatos horizontes y verticales que trabajan bajo rozamiento Empuje mediante gatos Hidráulicos y barras de empuje. Sistema compuesto de cables o barras de pretensado que pasan a través de gatos hidráulicos huecos, que a su vez, están fijamente anclados a la superestructura y al estribo del puente; en casos donde se necesite mayor fuerza de empuje, se pueden utilizar en pilas intermedias que tengan rigidez suficiente para llevar acabo el empuje. Los gatos hidráulicos proporcionan una fuerza de empuje entre 0.8 a 1.5 MN, entregando una desplazamiento horizontal de aproximadamente 200 mm por cada lanzamiento [Rosignoli, M. 2002]. Una de las ventajas que ofrece este sistema es no depender de la reacción vertical de la superestructura, y es de gran utilidad para empezar y terminar el proceso de empuje. La implementación y equipamiento tiene un menor coste económico comparado con otros sistemas de empuje, que radica en su gran capacidad horizontal. Para lanzamientos de grandes extensiones de superestructura, no es efectivo; debido al poco avance de empuje que ofrece el sistema. Principalmente este sistema es utilizado en estructuras ligeras y con vanos de menores extensiones. Para grandes extensiones se utilizan gatos especiales que pueden lanzar hasta 1 metro en un solo empuje, el coste del equipamiento es mayor pero se ahorra tiempo de ejecución. Fig. Nº 8 Unos de los inconvenientes de este sistema es la incapacidad de poner marcha atrás, dificultando volver con la superestructura para posibles correcciones de desviaciones del trazado. Para lanzamientos con pendientes en contra del empuje, se deben utilizar elementos que bloqueen el deslizamiento de la superestructura una vez lanzada; bloqueo que ayudará efectivamente cuando se trata de superestructuras de gran peso propio y cuando se debe agregar un nuevo segmento. 22

23 Figura Nº 8: Gato hidráulico con barras de pretensado. Fuente: Óscar Ramón Ramos Gutiérrez,

24 Empuje mediante gatos hidráulicos y rozamiento. La utilización de uno o más pares de gatos hidráulicos en diferente posición, hacen en conjunto un potente sistema de lanzamiento ideal para estructuras con grandes longitudes, pesadas y anchas; que por su gran volumen, requieren de una mayor fuerza de empuje y de un control de lanzamiento más preciso. La fuerza de empuje para el lanzamiento, es traspasada a la superestructura mediante rozamiento entre el gato hidráulico y el alma del tablero. Generalmente los gatos hidráulicos son ubicados en el estribo y en la parte superior de la pila. Fig. Nº 9 Para que el empuje de la superestructura pueda realizarse, es necesario que la proporción entre la fuerza de empuje F T y la reacción vertical el gato de empuje. [Rosignoli, M. 2002]. R V, L sea menor o igual al coeficiente de fricción C f. L, entre la superestructura y F R T V, L C f. L Figura Nº 9: Gato Horizontal, mecanismo de empuje mediante rozamiento. Fuente: Ibon Ascargorta,

25 El sistema en su nivel más básico, está compuesto por un gato hidráulico vertical que es empujado mediante un pistón o gato hidráulico, a través de una superficie rugosa; superficie compuesta por placas de acero y teflón. Generalmente el sistema trabaja con pares de gatos hidráulicos; cuando uno realiza el empuje, el otro par se recupera y vuelve al origen para seguir con el lanzamiento. Figura Nº 10: Sistema de empuje mediante rozamiento. El primer desplazamiento lo produce el gato vertical, el cual se extiende para elevar el tablero a lanzar, dejando su apoyo provisional. Cuando el tablero se encuentra elevado, el pistón horizontal empuja al gato vertical trasmitiendo la fuerza de empuje al tablero por rozamiento, produciéndose el desplazamiento horizontal. Una vez realizado el empuje, el gato vertical vuelve a su posición inicial haciendo descender el tablero a su apoyo provisional, y el ciclo se vuelve a repetir a una velocidad promedio de 10 m/h. Fig. Nº10 Fuente: Ibon Ascargorta,

26 2.2.4 Apoyos deslizantes para lanzamiento. Los apoyos deslizantes son apoyos especiales que se utilizan exclusivamente para el lanzamiento y se reemplazan al final del procedimiento por apoyos definitivos, o según la conveniencia, se pueden agregar a los apoyos definitivos un nivel deslizante exclusivamente para realizar el lanzamiento. Los apoyos existirán en todo lugar donde la superestructura tenga contacto, ya sea contacto en las pilas o en los estribos. Para estructuras compuestas por acero, como puentes mixtos; la estructura en sí es una estructura más liviana y más flexibles que las de hormigón armado u hormigón pretensado, por lo que se requiere de apoyos más largos, superficies angostas y soportes que puedan resistir a la rotación. Para determinar el largo del apoyo, se debe tener en cuenta las diferencias en las elevaciones del ala inferior, debido a la fabricación de la sección y tolerancias de ensamblado; como también a las diferentes elevaciones de los apoyos debido a las alas transversales relativas al peralte de la estructura. En los comienzos de empuje de puentes, los apoyos deslizantes estaban formados por unos rodillos de apoyo, el cual cumplían la misma función de deslizar la superestructura; el número de rodillos, de entre 2 a 8, dependían de la carga vertical a soportar. Actualmente se utilizan apoyos deslizantes compuestos por dos polímeros, uno llamado politetrafluoroetileno (PTFE) o en su nombre vulgar Teflón, más otro llamado policloropreno o Neopreno. Estos apoyos compuestos son una alternativa bastante utilizada en vez de los apoyos de rodillos, debido a su poca fricción al lanzamiento y a su excelente distribución de las cargas verticales. En puentes mixtos, por motivos de ser estructuras ligeras, el lanzamiento se realiza directamente sobre el apoyo deslizante, el que consta de una chapa pulida de acero inoxidable donde se alojan almohadillas de Neopreno- Teflón con espesores de 10 a 15 mm. Estos espesores dependerán de las secciones a lanzar debido a la carga vertical a soportar. La parte de teflón va sobre la chapa de acero inoxidable y la de neopreno va en contacto al dintel del puente a lanzar. Las almohadillas de Neopreno Teflón también existirán en los apoyos laterales que sirven como guía para encausar el puente durante el lanzamiento. Fig. N 11 El rozamiento que existe entre los apoyos deslizantes y la superestructura en el lanzamiento, varían según la etapa del proceso. En un comienzo para vencer la fuerza estática, el rozamiento llega a alcanzar un 5% en días fríos; este rozamiento baja a un 2% o 3% en estado cinético normal de empuje. Debe existir un gran cuidado en que el

27 rozamiento no afecte a la pila durante el lanzamiento, debido a que la fuerza de rozamiento actúa como una fuerza horizontal sobre la pila, pudiendo hacer colapsar a la pila debido a pandeo. Para reducir al máximo el rozamiento, se debe lubricar muy bien la superficie que se va a empujar, principalmente con grasa especial a la chapa metálica inferior del dintel y a la vez, untar las almohadillas con silicona procurando de mantenerlas limpias de polvo o cualquier suciedad; logrando con esto, llegar a un rozamiento constante de 1%. Figura N 11: Apoyo deslizante acoplado al apoyo pot, con almohadillas de Neopreno-Teflón. Fuente: Óscar Ramón Ramos,

28 2.2.5 Guías laterales. Las guías son apoyos laterales que son necesarias durante el lanzamiento para mantener el alineamiento de la superestructura y que puedan resistir fuerzas horizontales como el viento y sismo durante la construcción. En sí, las guías laterales están compuestas por una estructura de acero que la rigidiza y por un apoyo lateral en forma de rodillo o con almohadillas de Neopreno Teflón, que encausan la superestructura. El rozamiento entre las guías laterales y el dintel metálico va en el orden del 3% [Rosignoli, M. 2002]. Las guías laterales son de gran necesidad para puentes curvos, en donde el alineamiento curvo en planta debe ser preciso para el calce en cada una de las pilas. Estas guías, deben ser rígidas para soportar los esfuerzos que son sometidos para mantener el alineamiento curvo. Fig. Nº 12 Figura Nº 12: Guía lateral ubicada en el parque de fabricación. Fuente: Óscar Ramón Ramos, La ubicación se debe realizar en el parque de fabricación justo donde son soldadas las secciones, para entregar una nivelación exacta y un alineamiento curvo; para que así al final del estribo, el primer lanzamiento a realizarse vaya con el alineamiento correcto. Las guías, a parte de ser ubicadas en el estribo, deben ser ubicadas en cada una de las pilas, para el perfecto calce de las secciones al entrar a la zona de la pila. 28

29 El diseño de las guías laterales va directamente asociado a la altura o profundidad del cajón metálico a lanzar y de la masa de estas secciones. En puentes mixtos, con gran flexibilidad y con poco peso propio, las cargas de viento que someten a la superestructura durante el lanzamiento; gobernarán el diseño de las guías laterales. 29

30 2.3. Problemas derivados del empuje. Existen 2 principales problemas que se generan durante el empuje. Los cuales son: Efecto ménsula. Deslizamiento de la superestructura. [Rosignoli, M. 2002] y [Manterola, J. 2006] Efecto ménsula. El principal inconveniente que surge a medida que se lanza cada una de las secciones del puente, es el excesivo esfuerzo de momento flector que se incrementa a medida que aumenta el voladizo. El momento flector máximo negativo, se origina en el dintel justo sobre la pila anterior cuando la viga continua está a punto de alcanzar la pila siguiente; donde ésta se encuentra totalmente en voladizo y se ejerce el efecto ménsula, logrando llegar a un momento aproximado de Pl 2 /2; en donde el peso propio (P) ejerce el esfuerzo en una longitud máxima del vano (l). Fig. Nº 13. Figura N 13: Momento Flector Fuente: Rosignoli, M.,

31 El elevado momento flector, causa un encareciendo económico de las secciones del puente, por la necesidad de utilizar mayor material para poder soportar estos momentos flectores. Del punto de vista del diseño, estaría predeterminado a sólo el efecto de empuje que logre soportar tales momentos flectores, lo que sería totalmente contraproducente por llegar a un diseño sobredimensionado, para cuando el puente entre finalmente en servicio. Para lograr la reducción de este momento flector sobre la pila anterior, se utilizan estructuras auxiliares que sirven para mitigar estos esfuerzos. Es así como se pueden emplean 3 diferentes soluciones, independientemente cada una de ellas o en su conjunto, estas son: 1. Nariz o pico de avance. 2. Torre de atirantamiento. 3. Pilas provisorias Nariz o pico de avance. La nariz o pico de avance, se ha utilizado desde los comienzos de la implementación del sistema de empuje como método constructivo de puentes. Consiste en una extensión de la superestructura perfectamente integrada; estructura metálica generalmente en celosía, con mayor a menor rigidez, que se une a la superestructura mediante tornillos de conexión que hacen que la estructura forme parte compuesta del puente. Esta estructura complementaria, va cobrando más importancia mientras la carga de peso propio se va incrementando; perturbando directamente los esfuerzos de carga que van homogenizándose, de manera de controlar los momentos flectores en el instante del lanzamiento y a su vez, permitiendo el acceso paulatino de la superestructura sobre las pilas. La unión de la nariz de avance soporta la transferencia total de los esfuerzos, por lo cual ésta, debe ser capaz de traspasar a la superestructura la flexión y cortante, producido por la reacción de la pila cuando la nariz está actuando con ella. 31

32 En la nariz existen unos gatos hidráulicos que actúan una vez que la nariz está sobre la pila; procedimiento realizado para eliminar la flecha de la superestructura, producido por la carga de peso propio cuando se encuentran en voladizo, para que así la superestructura ingrese a la pila sin problemas La nariz se desmonta una vez terminado el empuje. Fig. Nº14 Figura 14: Nariz de avance, utilizada en la construcción del viaducto de La San Juana, San juan de Colon, Venezuela Fuente: 32

33 Parámetros de diseño. Los parámetros de diseños pueden establecerse mediante un estudio que involucra el peso propio de la nariz a utilizar; su rigidez, de gran importancia cuando la nariz está entrando a la pila por la gran fuerza de apoyo que le origina la pila y su largo en sí. El comportamiento del sistema elástico nariz-tablero está gobernado por tres parámetros adimensionales que describen sus características geométricas y mecánicas: 1. Longitud de la nariz en comparación con la luz a superar, L n / L. 2. Peso de la nariz por unidad de longitud en comparación con el peso del tablero por unidad de longitud en su parte delantera, q n /q 3. Rigidez a flexión de la nariz en comparación con la del tablero en su parte delantera, E n I n /E I 4. Longitud aproximada, según estudios para puentes de hormigón, en relación al largo del vano con mayor longitud a sobrepasar, L n ±0,65 L Estos parámetros, son los que se deben conjugar ara la óptima obtención de la nariz de lanzamiento. [Rosignoli, M. 2002]. Fig. Nº15 Figura Nº 15: Disminución de momentos flectores con nariz de lanzamiento Fuente: Avellano,

34 Torre de atirantamiento. La torre de atirantamiento es una estructura complementaria de reducción de los esfuerzos durante el procedimiento de empuje, es un mecanismo formado por una torre de atirantamiento que se encuentra articulada a las secciones de la superestructura que se disponen a lanzar. En la cabeza de la torre se conectan cables de acero que a su vez, van conectados a las primeras secciones que se encontrarán en voladizo al momento del lanzamiento; y a secciones por detrás de la torre a una misma distancia de las secciones delanteras, formando un atirantamiento de cables abatidos en abanico y de forma simétrica para que logre trabajar sólo a axil. Este mecanismo de atirantamiento trabaja como un pretensado exterior que se ocupa de minorar los momentos flectores por peso propio y los esfuerzos producidos al ingresar las primeras secciones a la pila. Existen gatos hidráulicos en el mecanismo de atirantamiento que se pueden encontrar en la base de la torre para movimientos de elevación y declinación; o en el otro caso, estos gatos hidráulicos se encuentren en la base de los tensores de atirantamiento. Estos gatos, tanto en la torre como en los tensores, se utilizan para: Variar la tensión de los cables. Variar los esfuerzos de las secciones en voladizo disminuyendo los momentos flectores. Disminuir la flecha de flexión del voladizo. La torre de atirantamiento trabajará cuando el primer tramo de las secciones de la superestructura se encuentren en voladizo; los tensores o cables de acero se activan y actúan como pretensado hasta que el primer grupo de secciones se apoyen en la pila desactivando los tensores. Fig. Nº

35 Figura Nº 16: Puente sobre el río Guadalquivir, Sevilla, España. Fuente: Manuel Escamilla et al Pilas provisorias. Esta alternativa de utilización para disminución de esfuerzos y deformación que se produce en las secciones en voladizo; no se ha utilizado con frecuencia este último tiempo, sólo en puentes con grandes vanos o vanos de longitudes variables se utiliza como refuerzo a otro sistema principal, como complemento a la torre de atirantamiento o la nariz de avance. Este sistema reduce en la mitad los vanos de lanzamiento de la superestructura con la respectiva disminución de esfuerzos. Esta estructura auxiliar generalmente compuesta por acero en celosía, genera pilas secundarias bastante esbeltas debido a que sólo recibe cargas temporales. Una de las desventajas que presenta este tipo de estructuras provisionales, es el gran coste que requiere la cimentación de la base de la estructura, y el costo elevado tanto de la estructura como de la mano de obra especializada que demanda estas pilas provisorias; son razones que hace de este tipo de soluciones sólo utilizables para algunos puentes empujados. 35

36 Deslizamiento excesivo de la superestructura. Un inconveniente que ha traído dificultades en obras, es el deslizamiento descontrolado que puede sufrir la superestructura, cuando esta es lanzada con pendiente a favor. El hecho de utilizar apoyos deslizantes con elementos que disminuyen el rozamiento; contribuye a que la superestructura pueda deslizarse sin control por su propia inercia, adquiriendo una velocidad de empuje, que debido a la magnitud de la estructura y su peso propio, logra vencer el rozamiento dinámico deslizando sin poder frenarla. Los problemas de deslizamiento ha traído consecuencias nefastas; como lo ocurrido en España en Septiembre del 2007 en la construcción del Viaducto del Ave en Galicia. Por motivo del excesivo deslizamiento inesperado del dintel de hormigón armado; ésta adquirió una gran velocidad, el cual el sistema de retención no pudo frenar. El colapso de la pila y posterior derrumbe de la superestructura, produjo la muerte de un trabajador y la perdida total de la obra. Fig. Nº 17 Figura Nº 17: Desplome Viaducto de Ave. Fuente: Ángel Aparicio,

37 2.4 Puentes mixtos. Los puentes mixtos, son estructuras formadas por dos o más materiales de construcción, que se conjugan entre sí para trabajar en perfecta armonía y crear una estructura que permita salvar obstáculos. En puentes conformados por acero y hormigón, existe una armonía perfecta para solicitaciones a flexión; por lo que el acero que trabaja muy bien a tracción, es usado en la parte inferior de la estructura; y el hormigón excelente en compresión, es utilizado en la parte superior. Un puente mixto metálico, está formado por una o más estructuras metálicas, las cuales pueden presentarse en forma de vigas doble T longitudinales o en forma de U; constituyendo una viga cajón o tablero. La estructura metálica es cubierta por una losa de hormigón colaborante que mediante conectores son enlazadas al cajón o tablero. Fig. Nº 18. Figura Nº 18: Principales elementos de un Puente Mixto. Fuente: III Jornadas Internacionales de Puentes mixtos, España, 2001 Entre los elementos de la estructura mixta, se encuentra el arriostramiento transversal que tiene como objetivo controlar y resistir las cargas exteriores sobre la flexión transversal, la distorsión producida por solicitaciones excéntricas, el pandeo de la estructura y ayuda a impedir la inestabilidad del alma. 37

38 Existen elementos que permiten la rigidización longitudinal y transversal de las almas, conllevando a aumentar la capacidad de la estructura al corte y flexión; y además las deformaciones transversales hasta en los estados últimos de resistencia. Los rigidizadores deben cumplir una condición de rigidez y otra de resistencia. Fig. Nº 19. Figura Nº 19: Rigidizadores longitudinales y transversales Fuente: Jornadas de hormigón, Universidad Politécnica de Cataluña, 2007 Los rigidizadores transversales llamados diafragmas, colaboran con el reparto transversal de las cargas, de la torsión y controlan la distorsión; encontrándose diafragmas de apoyos que trabajan para distribuir las cargas de apoyo y los diafragmas intermedios. Fig. Nº 20. Figura Nº 20: Diafragma de apoyo. Fuente: Óscar Ramón Ramos,

39 2.4.1 Puentes mixtos con secciones tipo cajón. Las secciones tipo cajón en puentes mixtos, está constituido por el ensamble de diferentes chapas metálicas continuas, unidas principalmente por soldaduras. El conjunto de chapas metálicas logra ofrecer una viga de resistencia única, que se complementa mediante rigidizadores longitudinales y transversales. En su chapa superior existen conectores para el enlazamiento de la losa de hormigón a las secciones metálicas. Al ser una viga mixta de acero y hormigón, ofrece la ventaja de poder ser utilizados para toda tipología estructural y para cualquier luz requerida; siendo en luces medias y largas donde su resistencia estructural versus coste, ha manifestado su importancia. Una de las principales características de puentes mixtos con secciones tipo cajón, ha sido su gran capacidad de resistir a torsión; es por este hecho la importancia en la utilización de secciones tipo cajón en puentes curvos, donde la torsión es mayor que en puentes rectos. Para controlar los esfuerzos de torsión, se debe reforzar la sección tipo cajón con elementos estructurales como rigidizadores transversales y diafragmas de apoyo. Dentro de las ventajas de las secciones tipo cajón, es la mayor accesibilidad al interior de la viga, logrando realizar mantenciones y reparaciones con mayor facilidad. Fig. Nº 21. Figura Nº 21: Puente con sección tipo cajón. Fuente: III Jornadas Internacionales de Puentes mixtos, España,

40 CAPÍTULO III. Estudio del Diseño. 3.1 Modelo de Estudio. El modelo para la realización de este estudio, se basó en el Viaducto de tablero mixto Regueirón. Este viaducto se construyó en España mediante el sistema constructivo de empuje, por lo cual lo hace trascendental para el análisis de sus determinadas fases constructivas, además sus resultados en terreno, conllevarán a la comparación de los resultados entregados por la modelización Emplazamiento. El Viaducto de Regueirón se encuentra ubicado en la provincia de Asturias, España. Su emplazamiento está sobre la autovía A-63 que va de Oviedo a La Espina. El Viaducto Regueirón forma parte de la autovía A-63 en el tramo Salas La Espina, con una inversión cercana a los 20 millones de Euros. Fig. Nº 22. Figura Nº22: Emplazamiento Viaducto de Regueirón. Fuente: elaboración propia 40

41 3.1.2 Características longitudinales. El Viaducto de Regueirón tiene una longitud total de 560 metros separada de 7 vanos, siendo el más largo uno de 92 metros ( x 84+68). El Viaducto se asienta en 6 pilas de hormigón armado, que van desde una altura de 35 metros hasta la más alta de 82 metros, con cimentación directa a excepción de la pila 2. Su perfil longitudinal presenta una pendiente del 5,8%, siendo 6% la máxima permitida en una autovía; un radio de curvatura de 620 metros y un peralte del 8%. Fig. Nº 23. Figura Nº 23: Alzado y planta del Viaducto de Regueirón Fuente: Gentileza de Apia XXI 41

42 3.1.3 Características transversales. La superestructura del Viaducto es de tablero mixto; su estructura principal es un cajón de acero en la parte inferior y una losa de tablero de hormigón pretensado en la parte superior. Su sección transversal es de 23 metros de ancho, consta de 2 calzadas de 7 metros cada una y cada calzada con 2 carriles de 3,5 metros. Existen arcenes exteriores de 2,5 metros y arcenes interiores de 1 metro. El canto total de la sección es de 4,5 m, compuesto por un cajón metálico cuyas medidas son de 7,00 x 4,28 m y losa de hormigón de 0,22 m de espesor mediante prelosas de 0,07 m. La chapa superior está peraltada para lograr la inclinación de la sección; consta con sistemas de rigidizadores longitudinales y transversales, además de diafragmas en cada zona de la pila. Para controlar la flexión transversal y el peso de la losa de hormigón que sobresale de la viga cajón como voladizo, se utilizan vigas transversales Fig. Nº 24. Figura Nº 24: Sección transversal tipo. Fuente: Gentileza de Apia XXI 42