PUENTE ARCO TIPO NETWORK SOBRE EL RÍO TERCERO EN VILLAMARÍA

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1 V CONGRESO DE 1/10 PUENTE ARCO TIPO NETWORK SOBRE EL RÍO TERCERO EN VILLAMARÍA Marcos Jesús PANTALEÓN PRIETO Doctor Ingeniero de Camino, Canales y Puertos APIA XXI Presidente mpanta@apiaxxi.es Ricardo Rafael PEREIRA DE SOUSA Ingeniero de Camino, Canales y Puertos APIA XXI Departamento Estructuras rpereira@apiaxxi.es Óscar Ramón RAMOS GUTIÉRREZ Ingeniero de Camino, Canales y Puertos APIA XXI Responsable División de Estructuras oramos@apiaxxi.es Frank SCHANACK Doctor Ingeniero de Camino, Canales y Puertos UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE frank.schanack@uach.cl RESUMEN El articulo detalla los principales aspectos del proyecto del Puente en Arco sobre el Río Tercero, que tiene por objeto el cruce del río del mismo nombre, vinculando las ciudades de Villa María y Villa Nueva (provincia de Córdoba, Argentina), en reemplazo del puente metálico que se encuentra adyacente al emplazamiento del nuevo puente. La tipología de arco tipo Network empleada para salvar el cauce del río Tercero permite salvar una luz de 120 m con una esbeltez de tablero y de arcos muy notable, junto con una economía de materiales significativa. Se ha desarrollado una solución totalmente prefabricada (tanto en los arcos metálicos como en las vigas longitudinales y transversales de hormigón pretensado) que permite acometer un proceso constructivo rápido y eficaz. Particularmente se ha profundizado en el análisis de estabilidad lateral de los arcos, con arriostramientos tipo Vierendeel. PALABRAS CLAVE: Arco, network, prefabricación, péndolas, atirantamiento, pretensado

2 V CONGRESO DE 2/10 1. Descripción 1.1. Descripción general El Puente en Arco sobre el Río Tercero tiene por objeto el cruce del río del mismo nombre, vinculando las ciudades de Villa María y Villa Nueva, en reemplazo del puente metálico que actualmente se encuentra adyacente al futuro emplazamiento del nuevo puente. Figura 1.Vista general del puente sobre el río (infografía) La estructura principal del puente se compone de dos arcos metálicos, de 120 m de luz de cálculo, de directriz circular y sección cajón cuadrática, disponiéndose cada arco en un plano inclinado hacia el interior del puente. Los arcos se encuentran arriostrados transversalmente por vigas transversales formando una viga Vierendeel. La tipología del puente es arco tipo Network. Se trata de un arco atirantado con péndolas inclinadas que se cruzan al menos dos veces. El tablero de hormigón pretensado equilibra la componente horizontal del empuje de los arcos, de tal manera que la superestructura transfiere principalmente fuerzas verticales a la subestructura. La calzada del puente mide 8,30 m de ancho y en los voladizos laterales existen aceras peatonales de 1,50 m mínimo de ancho útil (zona de los estribos en su encuentro con los arcos, dado que en el restante tablero la anchura de las aceras es de 1.65 m). Los pretiles metálicos de alta contención ocupan una anchura de 2 x 0,43 m. Las aceras peatonales tienen dos barandas externas de un ancho de 0,20 m y otras dos barandas internas del mismo ancho. Entre las péndolas y los pretiles metálicos se ha reservado un espacio para garantizar el gálibo libre vertical de los vehículos; este espacio eventualmente puede utilizarse como acera peatonal sin más que eliminar la baranda interna, con lo que se tendría una anchura total de acera de 3,22 m a cada lado. Con todo esto resulta un ancho total del puente de 16,30 m.

3 V CONGRESO DE 3/10 Figura 2. Detalle de arco y red de péndolas (infografía) 1.2. Tablero El tablero del puente se materializa mediante una losa de hormigón pretensado con dos vigas longitudinales prefabricadas situadas en los planos de los arcos y vigas transversales pretensadas también prefabricadas. Figura 3. Sección tipo del tablero. Figura 4. Sección del tablero por viga transversal.

4 V CONGRESO DE 4/10 Las vigas longitudinales prefabricadas se montarán sobre pilas-pilotes provisionales y después de colocadas, se procederá a realizar un tesado de continuidad, para que trabajen como una viga continua. El tablero del puente se encuentra suspendido de las péndolas del puente Arco Los arcos son de acero y tienen una directriz circular. La luz del arco es 120,00 m y la flecha vertical es de 18,00 m, correspondiente al 15% de esta luz. Los arcos están separados 12,14 m en arranque y están inclinados 15.0º respecto a la vertical, con lo que la distancia transversal entre ellos en la clave es de de 2,494 m entre ejes. La flecha del arco en su plano es de m. La longitud total de cada arco en su plano es de 127,572 m. La sección transversal de cada arco es una sección cajón de 800 x 800 mm, con espesores de chapa en las almas y en las alas diferenciados en 3 secciones tipo. La sección tipo 1, corresponde a los primeros 1,260 m de longitud en los arranques de los arcos. Tiene un espesor de chapa en las almas de 65 mm y en las alas de 31,75 mm (1 ¼). La sección tipo 2 corresponde a los siguientes 14,331 m de longitud a ambos lados de los arcos. Tiene un espesor de chapa en las almas de 25,4 mm (1 ) y en las alas de 31,75 mm (1 ¼). La sección tipo 3, sección de clave de los arcos, corresponde a los 96,390 m de longitud en la parte central de los arcos. Tiene un espesor de chapa en las almas de 25,4 mm (1 ) y en las alas de 25.4 mm (1 ). Los arcos llevan un arriostramiento superior tipo viga Vierendeel, es decir, con vigas transversales, sin triangulaciones. Se disponen 8 vigas transversales. La longitud (luz libre entre los arcos) de estas vigas varía con la posición (altura a la que se encuentren), de tal forma que se obtienen 2 vigas de 7,614 m, 2 de 4,686 m, 2 de 2,775 m y 2 de 1,790 m. El gálibo libre vertical entre la calzada y la primera viga del arriostramiento es 6.275m. Figura 5. Vista frontal de los arcos. Las distancias entre las vigas riostras prácticamente es uniforme, dividiendo el arco en tramos sensiblemente iguales y en torno a m de longitud. La distribución de los arriostramientos se puede observar en la siguiente figura:

5 V CONGRESO DE 5/10 Figura 6. Semi-sección en el plano del arco donde se observa la distribución de los arriostramientos. Estos arriostramientos tienen una sección hueca circular de 550 mm de diámetro exterior. El espesor de los tubos varía para cada tipo de arriostramiento. Estos espesores han sido calculados para incrementar la rigidez de los arcos fuera de su plano. Los arriostramientos tipo A1 tienen espesores de 22,22 mm (7/8 ), los arriostramientos tipo A2 de 19,05 mm (3/4 ) y los arriostramientos tipo A3 y A4 de 12,70 mm (1/2 ). El acero utilizado tanto para los arcos como para los arriostramientos es de calidad A50 (según ASTM A572/A572M-07), siendo su límite elástico de 345 MPa y su resistencia ultima variable entre 490 MPa y 630 MPa Péndolas Para realizar la unión del arco al tablero se utilizan dos juegos de péndolas, 28 de ellas por cada arco. La configuración de las péndolas es tipo Network, por lo que conforman una red de unión entre la losa y el arco. El tipo de distribución de péndolas es radial, es decir, las distancias de las péndolas a lo largo del arco y el ángulo entre cada péndola y el arco son prácticamente constantes. La distancia entre péndolas medidas en el arco es de 4,252 m, siendo el ángulo péndola-arco de aproximadamente 52º. Figura 7. Vista lateral de un arco en su plano, donde se puede visualizar la geometría de péndolas. Para las péndolas se utilizan tirantes de cordones de acero de alta resistencia con carga unitária máxima de 1860 MPa y un módulo de elasticidad de MPa. El número de cordones en cada péndola puede ser de 10 ó 12 cordones.

6 V CONGRESO DE 6/10 Cada cordón tiene un área de sección transversal de 150 mm 2, con lo que la sección total de cada péndola varía entre 1500 mm² y 1800 m². Para resolver el cruce entre péndolas, de forma que no coincidan en el plano, las péndolas se disponen a 0,10 m de distancia del eje teórico del arco, unas con excentricidad hacia la cara interior de cada arco (péndolas de 1 a 14 según figura 7) y las otras con excentricidad hacia la cara exterior (péndolas de 15 a 28 según figura 7) Para el análisis de la conexión de las péndolas con los arcos, se realizó un estudio mediante elementos finitos que permitió verificar el estado tensional del arco y de todas las chapas que configuran la unión, comprobándose que en ningún caso se superaba el limite elástico del acero según el criterio de Von Mises, para la combinación de diseño pésima. Figura 8. Nudos de unión arco-péndolas. 2. Modelo de análisis y proceso constructivo Dado que se ha desarrollado una solución totalmente prefabricada (tanto en los arcos metálicos como en las vigas longitudinales y transversales de hormigón pretensado) que permite acometer un proceso constructivo rápido y eficaz, el estudio tensional del puente paso a paso, considerando cada fase del proceso constructivo, cobra gran importancia. Para ello, se ha realizado un modelo de vigas y láminas que reproduce el proceso constructivo de la estructura, realizando un cálculo evolutivo en el tiempo. Este modelo permite considerar las diferentes fases por las que pasan las secciones, así como los cambios de las condiciones de apoyo debido al proceso constructivo diseñado. Con este cálculo se obtiene la evolución tensional de la estructura y se calculan los efectos de la retracción, fluencia y relajación de los materiales en cada instante. Los elementos finitos empleados son elementos de tipo tridimensional, es decir, se consideran los 6 grados de libertad espaciales en sus nodos. Para la losa se utilizan elementos tipo lámina con 4 nodos, mientras que las vigas longitudinales y transversales, los arcos y los arriostramientos son elementos tipo viga. Las péndolas se modelizan como elementos tipo cable, y los apollos de los estribos mediante elementos tipo muelle. Los elementos finitos que configuran la malla son lo suficientemente pequeños para asegurar la exactitud en los resultados. Es por esto que se debe determinar el tamaño de elemento óptimo que da resultados con la exactitud requerida sin penalizar el análisis en términos de tiempo de cálculo. De esta forma se elige un tamaño de malla máxima de 1 m para todos los elementos estructurales.

7 V CONGRESO DE 7/10 Las fases constructivas consideradas en el cálculo son las siguientes: 1. Peso propio de las vigas longitudinales prefabricadas, apoyadas sobre apoyos provisionales. Estas vigas trabajan como vigas biapoyadas y se han diseñado para resistir a su propio peso durante esta fase constructiva. 2. Unión de las vigas longitudinales prefabricadas mediante pretensado. Para las restantes cargas, las dos vigas longitudinales pasan a comportarse como vigas continuas. 3. Tesado de la primera fase de pretensado de las vigas longitudinales. 4. Colocación de diafragmas. 5. Hormigonado de travesaños. Figura 9. Fases del proceso constructivo. Colocación y tesado de vigas longitudinales y transversales. 6. Hormigonado de la losa (aplicándose solamente el peso). 7. Endurecimiento de la losa (se atribuye rigidez a los elementos tipo lámina de la losa). 8. Pretensado de la losa. Figura 10. Fases del proceso constructivo. Hormigonado y pretensado de losa. 9. Colocación de arcos. 10. Colocación de péndolas. 11. Retirada de los apoyos provisionales. La configuración final de apoyos consiste en dos apoyos por estribo. Figura 11. Fases del proceso constructivo. Colocación de arcos y péndolas y retirada de puntales provisionales.

8 V CONGRESO DE 8/ Tesado de la segunda fase de pretensado de las vigas longitudinales 13. Pavimentado y colocación de barandillas, pretiles y acabados. Figura 12. Fases del proceso constructivo. Estado tensional final. Además de los cálculos lineales paso a paso en el tiempo, con consideración de secciones evolutivas, se han realizado cálculos no lineales. Las no-linealidades consideradas son de tipo material y geométrico (2º orden), obteniéndose los modos de vibración con la matriz de rigidez reducida para el modelo del puente en su estado final. 3. Análisis en segundo orden de los arcos El procedimiento para la comprobación de la estabilidad se compone de varios pasos. En primer lugar, se calcula la carga de pandeo y el modo del pandeo elástico. En segundo lugar, se establecen las imperfecciones geométricas equivalentes según el modo de pandeo. En tercer lugar, se realiza un cálculo de segundo orden de la estructura predeformada, tras aplicarse las imperfecciones. Se comprueba la resistencia de la sección transversal del arco con los esfuerzos del cálculo de segundo orden. El primero paso a realizar es la obtención de la carga de pandeo elástico. Con el programa de elementos finitos utilizado se ha obtenido directamente la carga de pandeo elástico para un determinado nivel de carga, así como el modo de pandeo asociado. Para la comprobación del puente con un cálculo no lineal se necesitan los modos de pandeo en las dos direcciones fundamentales de pandeo del arco (pandeo en el plano y pandeo lateral). Cada uno de ellos es la base para el cálculo de una imperfección geométrica equivalente que se aplica a los cálculos no lineales. En cualquier caso, es bien conocido que en arcos tipo Network el pandeo en el plano del arco no es condicionante, ya que la tupida red de péndolas restringe de forma muy eficaz el riesgo de pandeo, haciendo trabajar al arco como una gran viga. Una vez calculados los modos de pandeo, se establece el sistema deformado como sistema inicial para todos los pasos de cálculo siguientes. La amplitud máxima de las imperfecciones geométricas equivalentes para escalar la deformación del modo de pandeo se determina según las formulaciones contenidas en los Eurocódigos (EN :2006).

9 V CONGRESO DE 9/10 Para imperfecciones complejas, los Eurocódigos contienen un método analítico para el cálculo de la amplitud máxima de las imperfecciones geométricas equivalentes, que permite considerar los posibles efectos de las imperfecciones geométricas reales de construcción y de las tensiones residuales existentes en los arcos. Esta flecha máxima de la imperfección se determina, según EN : (11), con la siguiente formulación: χ λ M Rk γ M1 e0 = α ( λ 0,2) N 2 1 χ λ Donde: N Rk λ = N cr es la esbeltez relativa de la estructura, α es el factor de imperfección de la curva de inestabilidad apropiada para la sección transversal crítica, M Rk, N Rk es el momento y axil resistentes característicos, respectivamente, de la sección transversal crítica, γm1 = 1,1 es el coeficiente parcial de seguridad, χ = ϕ + 1+ α ϕ = ϕ λ ( λ 0,2) 2 + λ 1 2 Rk es el coeficiente reductor por pandeo asociado a la sección transversal crítica y El factor de imperfección α es función de la curva de pandeo correspondiente y es dependiente del tipo de sección del arco. La curva de inestabilidad apropiada para el perfil del arco (sección cajón soldada) según EN :2005, tabla 6.2, es la curva b (b/tf=h/tf=32>30). Por lo tanto, el factor de imperfección para esta curva de inestabilidad es de α = 0,34. Para determinar la esbeltez relativa de los arcos, es necesario conocer el axil crítico correspondiente a cada modo de pandeo. Para obtener el axil crítico (carga de pandeo elástica) asociada a cada modo, se parte de un caso de carga inicial, y mediante un incremento sucesivo de la carga, se obtiene el valor máximo para el que las ecuaciones de equilibrio no tienen solución. A continuación se adjuntan los 3 primeros modos de pandeo del arco y el coeficiente de ampliación de carga asociado, para la obtención del axil critico.

10 V CONGRESO DE 10/10 Figura 13. Forma de los 3 primeros modos de pandeo del arco. La esbeltez relativa del conjunto de los arcos alcanza valores entre 0.75 y Este parámetro, que es un indicador del grado de esbeltez de la estructura, se mantiene en un rango usual en este tipo de puentes. Finalmente, se obtiene un valor de imperfección equivalente de 0.05 m. Resumiendo, los principales resultados del análisis de segundo orden de los arcos son los siguientes: - Axil de diseño (mayorado) en cada arco: kn - Carga crítica de pandeo global de los arcos: kn (factor 2.35). - Esbeltez relativa del conjunto de los dos arcos: Imperfección geométrica global equivalente: 5.0 cm - Factor de utilización pésimo en régimen lineal: 0.92 (< 1.00) - Factor de utilización pésimo en régimen no lineal: 0.98 (<1.00) (incremento del 6.3%) 4. Relación de participantes Propiedad: Dirección Nacional de Vialidad (Argentina) Ingeniero de Caminos Director de Obra: D. Hugo Lucero Cimas Empresa Constructora: ElectroIngeniería - Freyssinet Ingeniero de Caminos Jefe de Obra: D. Mario Martínez Empresa Consultora - Proyecto: APIA XXI, S.A.