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VIADUCTO SOBRE EL RÍO ALMONTE EN EL EMBALSE DE ALCÁNTARA PARA LA LÍNEA FERROVIARIA DE ALTA VELOCIDAD MADRID - EXTREMADURA. TALAYUELA - CÁCERES Juan José ARENAS DE PABLO Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Arenas & Asociados. Ingeniería de Diseño Presidente jjarenas@arenasing.com
Guillermo CAPELLÁN MIGUEL Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Arenas & Asociados. Ingeniería de Diseño Director Técnico gcapellan@arenasing.com
Héctor BEADE PEREDA Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Arenas & Asociados. Ingeniería de Diseño Coordinador de Proyectos hbeade@arenasing.com
Ignacio MEANA MARTÍNEZ Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Adif. Dirección General de Grandes Proyectos Jefe de Proyectos II (Dirección de Estudios y Proyectos) imeana@adif.es
RESUMEN El viaducto sobre el Río Almonte en el Embalse de Alcántara para la nueva línea ferroviaria de Alta Velocidad Madrid-Extremadura/Talayuela-Cáceres en su tramo Embalse de AlcántaraGarrovillas, se convertirá, en términos de luz principal, en el mayor puente arco de Alta Velocidad construido, en el mayor puente arco ferroviario de hormigón y en el tercer mayor puente arco de hormigón sin distinción de tráficos. Nuestra experiencia desde la concepción hasta la culminación del proyecto constructivo de este gran reto para la ingeniería de nuestro país se describe en el siguiente artículo. PALABRAS CLAVE: Puente arco de tablero superior, alta velocidad, record mundial de luz, hormigón de alta resistencia, estabilidad transversal, diseño de puentes
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1. Introducción La nueva línea ferroviaria de Alta Velocidad Madrid-Extremadura/Talayuela-Cáceres, con tráfico mixto y una velocidad máxima de de 330 km/hora para pasajeros y 100 km/h para mercancías salvará, en el subtramo Embalse de Alcántara-Garrovillas, el río Almonte a su llegada al embalse de Alcántara mediante un gran arco de hormigón de tablero superior, con una luz de 384 m y sus cimentaciones situadas en el exterior del embalse. Este gran arco constituye el tramo principal de un viaducto de 996 m de longitud (Fig. 1). Este viaducto, cuya construcción comenzará a principios de 2011, se convertirá, en términos de luz principal, en el mayor arco de Alta Velocidad del mundo (superando al puente Dashegguan en China, con 336 m), en el mayor arco ferroviario de hormigón (sin restringirnos a la Alta Velocidad) superando en más de 100 m al puente sobre el lago Froschgrund en Alemania en la línea Nürnberg – Erfurt (270 m) y en el tercer mayor arco de hormigón si no se hace distinción de tráficos (sólo superado por el puente Wanxian en China (420 m) y muy cerca del mayor de los dos puentes entre las islas de Sveti Marko y Krk en Croacia (390 m)).
Figura 1. Alzados y perspectiva del Viaducto sobre el Río Almonte.
El proyecto de una estructura tan singular como esta, que además se ha realizado en un tiempo muy reducido para la magnitud del problema a resolver, ha requerido de un grandísimo esfuerzo y ha sido posible gracias a la participación y buen hacer de prácticamente la integridad de nuestra oficina. Cabe mencionar, además de los firmantes del artículo, a: Emilio Merino, Santiago Guerra, Pablo Alfonso, Javier Fernández, Ysabel Guil, Marianela García, Juan Ruiz, Diego González, Pablo Cuesta… Realizaciones: puentes y pasarelas
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Figuras 2 y 3 (de arriba abajo). 2. Vista virtual general. 3. Fotomontaje en el entorno natural.
2. Condicionantes y estudio tipológico y de procedimiento constructivo La solución que hemos proyectado es el resultado de una serie de condicionantes impuestos, como la luz principal (al no ser posible disponer apoyos en el embalse) y de la profunda reflexión sobre el problema a resolver y sobre la manera más adecuada de hacerlo teniendo en cuenta criterios económicos, de durabilidad y de mantenimiento, constructivos y de integración en un entorno natural de gran belleza. Para determinar la mejor solución posible para resolver un cruce de esta magnitud teniendo en cuenta estos parámetros, se realizó un análisis multicriterio tras un exhaustivo estudio de alternativas en el que se analizaron y valoraron varias posibilidades tipológicas (Fig. 4) y distintos procedimientos constructivos (Fig. 5). Realizaciones: puentes y pasarelas
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Establecida la luz principal, de unos 380 m, para salvar el Río Almonte en su llegada al Embalse de Alcántara con las cimentaciones de ese vano fuera del embalse para un nivel de lámina de agua correspondiente con su nivel máximo normal (cota 218 m), se analizaron varias alternativas tipológicas que podrían resultar adecuadas para un viaducto ferroviario de alta velocidad con esa luz: pórticos metálicos o de hormigón, arcos o atirantados con doble y simple plano de tirantes (Fig. 4).
Figura 4. Algunas de las alternativas consideradas en el Estudio de Tipologías realizado para determinar la solución más adecuada para el Viaducto sobre el Río Almonte.
Para la alternativa arco de hormigón y partiendo de la premisa establecida en fase de proyecto de que no podían disponerse apoyos intermedios provisionales en el embalse durante la ejecución, se analizaron tres alternativas de proceso constructivo (Fig. 5): arco ejecutado por avance en voladizos sucesivos de dos semiarcos atirantados provisionalmente desde una torre temporal (5a), arco ejecutado por avance en voladizos sucesivos como cordón inferior de dos grandes ménsulas celosía siendo el propio tablero el cordón superior (5b) y esta misma alternativa pero, en este caso, constituyéndose el cordón superior con unos tirantes provisionales que se retirarían una vez se haya finalizado el arco (5c). Se ha analizado además la variante, para las tres alternativas de procedimiento constructivo planteadas, de izar una celosía auxiliar para la ejecución del tramo central del arco (con un tirante inferior para estabilizar su geometría) en una longitud 120 m a 180 m (5d). Este elemento auxiliar se montaría en una de las márgenes, se trasladaría a la sombra de su posición definitiva mediante flotación y se izaría mediante un sistema de gatos hidráulicos. Realizaciones: puentes y pasarelas
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Fig5a. Avance en voladizo del arco con ayuda de torre de atirantamiento provisional
Fig5b. Avance en voladizo del arco como cordón inferior de una celosía con cordón superior formado por tirantes provisionales
Fig5c. Avance en voladizo del arco como cordón inferior de una celosía con cordón superior formado por el propio tablero
Fig5d. Avance en voladizo del arco con ayuda de torre de atirantamiento provisional + flotación de tramo central de arco
Figura 5. Algunas de las alternativas de proceso constructivo analizadas. Realizaciones: puentes y pasarelas
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De entre las distintas alternativas de proceso constructivo analizadas, todas viables y ya empleadas previamente con éxito en puentes arco de luces elevadas, la de avance en voladizo del arco con ayuda de una torre de atirantamiento provisional se consideró como ligeramente más ventajosa en el caso del Viaducto sobre el Río Almonte, pese a tener un menor aprovechamiento de los propios elementos del puente durante el proceso constructivo y requerir una torre auxiliar y cables de gran longitud, debido a su mayor capacidad de control geométrico y por permitir, además, llegar a presolicitar el arco de modo que se compensen sus deformaciones elásticas bajo cargas permanentes, pudiendo llegar a hacer innecesaria la apertura en clave con gatos hidráulicos tras su cierre. Figura 6. Visualización del viaducto en construcción.
El viaducto se proyectó con este procedimiento constructivo (Fig. 6) y sin emplear el embalse para flotar una celosía auxiliar para ejecutar la zona central del arco por no disponerse en ese momento de los premisos necesarios para plantear esta flotación. De disponerse de este permiso y/o de la autorización para ejecutar pilas provisionales en el embalse, podría reducirse la longitud de voladizo en situación provisional y simplificarse el procedimiento de ejecución. 3. El puente proyectado 3.1. Descripción geométrica El viaducto está constituido por tres zonas diferenciadas (Figs. 1, 2, 3 y 7), por un lado una serie de siete vanos de acceso (lado Madrid) con luces de 36 m + 6x45 m y una configuración de tablero continuo con sección cajón, por otro lado el vano principal sobre el Embalse de Alcántara con un gran arco de 384 m de luz sobre el que se apoya el tablero (que mantiene su sección en continuidad con los vanos de acceso) con una distribución de luces de 45 m + 6x42 m + 45 m y, por último, una serie de ocho vanos de acceso (lado Cáceres) con una configuración análoga a los de menor PK y una distribución de luces de 7x45 m + 36 m. Con la distribución de luces entre pilas (cimentadas directamente al terreno) o pilastras (apoyándose sobre el arco) se ha buscado, por un lado, disponer de un número suficiente de apoyos sobre el arco a fin de obtener un buen comportamiento antifunicular con una directriz curva (no poligonal) y, por otro, poder emplear un tablero con la misma sección en toda su longitud, facilitando la ejecución y posterior conservación del viaducto. De este modo, se consigue una estructura que de cara a mantenimiento y dentro del complejo problema a resolver, resulta la más parecida a un puente convencional multivano de hormigón con sección cajón (materiales, tecnología, secciones empleadas, tipo de aparatos de apoyo…). De hecho, observando el alzado del viaducto, no es difícil asimilarlo a un cajón multivano con luces convencionales en el que se ha sustituido el terreno por un arco en su zona de cruce sobre el embalse. Pensamos que, al mismo Realizaciones: puentes y pasarelas
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tiempo, esta solución genera una imagen estéticamente equilibrada, armoniosa y ordenada (Figs. 1, 2, 3 y 7).
Figura 7. Imagen virtual en escorzo del viaducto.
3.2. Tablero El tablero del Viaducto sobre el Río Almonte será, tal y como se ha mencionado, una viga hiperestática multiapoyada con sección cajón, de hormigón pretensado ejecutada in situ y con un de canto constante en todo el viaducto de 3.10 m en eje (con bombeo transversal del 2%). Su anchura total es de 14 m, permitiendo alojar la plataforma convencional de ADIF de doble vía de ancho internacional con intereje constante de 4,70 m. El ancho de la tabla inferior del cajón es de 6,00 m, el de cada uno de los voladizos laterales de 3,30 m y los paramentos inclinados tienen una proyección horizontal de 0,70 m. Se ha planteado una relación canto-luz totalmente convencional para el tablero pero, la inevitable flexibilidad del arco hace que, en este tramo y, pese a haberse reducido la luz tipo a 42 m frente a los 45 m de los vanos de acceso, sean necesarias cuantías mayores de pretensado y un hormigón de resistencia superior (HP-60 frente a HP-40) al ser la luz equivalente real algo superior a 60 m. 3.3. Arco El arco, de hormigón autocompactante de alta resistencia (HAC-80), tiene sección octogonal hueca de ancho y canto variables en sus 210 m centrales, bifurcándose a continuación en dos pies de sección hexagonal irregular hasta sus arranques, para dotarlo de mayor estabilidad en sentido transversal. Ambos pies se arriostran entre sí en la sección de las pilastras 7 y 14 (Figs. 7 y 8). En sus secciones de arranques el arco tiene un canto de 6,30 m, siendo la distancia entre las caras exteriores de los pies de 19 m, y en clave tiene un canto de 4,20 m y un ancho de 6,00 m, coincidente con inferior de tablero. La bifurcación del arco en dos pies inclinados (Fig. 8), ya anteriormente utilizada en otros puentes proyectados por nuestra oficina como el Puente de La Barqueta o El Puente del Tercer Milenio ([1] a [5]), permite en este caso mejorar, optimizando el material empleado, el comportamiento del puente ante acciones transversales y su respuesta ante fenómenos de inestabilidad fuera del plano, lo que resulta de gran importancia en una estructura con esta luz y con una anchura de tablero reducida debido a su carácter ferroviario. Realizaciones: puentes y pasarelas
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Figura 8. Definición general del arco.
Por su parte, la sección octogonal del arco nace de la búsqueda de un comportamiento aerodinámico adecuado, muy importante en grandes luces como la que estamos considerando, tal y como ha quedado corroborado a través de los ensayos realizados en túnel de viento de capa límite, tanto para situación definitiva como temporal durante la construcción. 3.3.1.
Unión arco-tablero
El arco y el tablero se vinculan en clave conformando una sección de hormigón única en una longitud de 30 m (Fig. 9) y materializando el punto fijo de la estructura, aprovechando la presencia del arco y su carácter de excelente transmisor de cargas horizontales. Esto da lugar a longitudes dilatables de 543 m hacia el lado Cáceres y 453 m hacia el lado Madrid, lo que permite disponer juntas de dilatación convencionales en ambos estribos.
Figura 9. Secciones transversales en zonas de unión arco-tablero. Realizaciones: puentes y pasarelas
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3.4. Pilas y pilastras y estribos Tanto las pilas como las pilastras del viaducto tienen sección octogonal variable, siendo muy valorable el hecho de que, por este motivo, su aerodinámica sea beneficiosa, en especial en el vano del arco dada su gran luz. Tienen alturas que oscilan entre los 12 m de la pila 22 y los 65,30 m de la pila 15 y, todas salvo las 6 y 15 (que comparten cimentación con el arco) son de hormigón HA-40, tienen paredes de 0,40 m de espesor y una zona superior maciza de 2,50 m de altura. Las pilas 6 y 15, debido a su altura y a su función como soporte de la torre de atirantamiento durante el proceso constructivo (y como torre en sí misma), son de hormigón HA-50, tienen paredes de 0,70 m y una zona maciza superior (a la que se anclan tirantes provisionales) de 38,50 m. Los estribos son de hormigón armado, cerrados con aletas en vuelta. 3.5. Cimentaciones Todas las cimentaciones (arco, pilas y estribos) se resuelven de manera directa sobre el sustrato rocoso. Las cimentaciones del arco, que engloban también a sus pilas adyacentes (Figs. 7 y 8) tienen forma poliédrica irregular escalonada y su geometría viene condicionada por la dirección de las resultantes de esfuerzos transmitidas por el conjunto arco-pila y por la necesidad de adaptarse del modo más óptimo posible a la variación longitudinal y transversal en la posición del estrato rocoso sano, en el que se deben empotrar un mínimo de 2,00 m. El atirantamiento necesario durante el proceso constructivo exige que las dos zapatas de cada margen adyacentes a las cimentaciones del arco estén provisionalmente ancladas al terreno. 3.6. Aparatos de apoyo y barrera de protección de aves Todos los apoyos del tablero se materializan mediante aparatos tipo POT convencionales de neopreno confinado (todos con una carga máxima admisible de 20000 kN salvo los de estribos (8000 kN) y los adyacentes a la unión arco-tablero (16000 kN)), disponiéndose un apoyo libre y otro guiado longitudinalmente en cada pila o estribo. Provisionalmente durante la construcción y bajo las torres de atirantamiento (pilas 6 y 15) se requieren apoyos fijos de 83000 kN de capacidad, que se reemplazarán por parejas fijo-libre tipo de 20000 kN de capacidad una vez cerrado el arco y retiradas las torres. Para evitar la colisión de aves con el material móvil del modo más transparente posible, se han dispuesto en este viaducto, sustituyendo a las habituales barreras opacas de 3 m de altura, barreras de protección discretas constituidas por perfiles tubulares con la misma altura máxima. 4. Comportamiento estructural
Figura 10. Modelos de cálculo a puente cerrado (izda.) y durante el proceso constructivo (dcha.).
Los cálculos estructurales realizados para el proyecto de este viaducto, por su extensión y complejidad, requerirán de un artículo específico. A modo de muy breve resumen, cabe decir que se ha realizado un modelo de cálculo evolutivo en el que se han incluido todas las fases del proceso constructivo (Fig. 10) y se ha realizado un análisis en segundo orden con predeformaciones iniciales de hasta L/400 (48 cm) teniendo en cuenta además el comportamiento
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no lineal de hormigón y acero, la fisuración seccional en ELU y redistribuciones reológicas. Se ha garantizado el cumplimiento de todos los ELS recogidos en la IAPF-2007 así como la seguridad de la estructura en ELU según distintos formatos. Como criterio de diseño, para asegurar una adecuada durabilidad y evitar amplificaciones dinámicas por pérdida de rigidez, se ha establecido que el arco no debe fisurar durante su construcción ni bajo cargas de servicio durante su vida útil. 5. Ensayos de túnel de viento La importancia de la luz a salvar hace imprescindible tener en cuenta efectos aeroelásticos (fenómenos oscilatorios crecientes provocados por la interacción viento-estructura) para el proyecto del Viaducto sobre el Río Almonte, ya no sólo porque supera los 200 m de luz a partir de los cuales lo exige la IAPF-2007, sino porque las frecuencias propias de vibración de la estructura (por debajo de 0,30 Hz en sus primeros modos) indican que la estructura puede ser sensible a estos efectos. Se ha realizado un estudio completo de respuesta al viento sobre del viaducto, a partir de una campaña de ensayos estáticos y dinámicos sobre modelos seccionales de arco y tablero, y de una campaña de ensayos aeroelásticos en túnel de viento de capa límite (realizado en el túnel de viento de Capa Límite II de la Universidad de Western Ontario, Canadá), sobre modelos del puente completo y durante su construcción (Fig. 11). Estos estudios, que se describen en más detalle en un artículo específico, han validado la estructura en servicio y durante su construcción (siendo necesario realizar un seguimiento específico en este último caso) y han puesto de manifiesto lo importante que ha resultado el empleo de secciones de marcado carácter aerodinámico desde la fase inicial de diseño.
Figura 11. Ensayos aerodinámicos y aeroelásticos en túnel de viento.
6. Referencias [1]
ARENAS, J.J. y PANTALEÓN M.J., “El Puente de La Barqueta sobre el viejo cauce del Río Guadalquivir, en Sevilla,” Revista de Obras Públicas, Y. 139, No. 3311, Jun. 1992, pp. 47–63.
[2]
ARENAS, J.J., BEADE, H. y ORTEGA, A., “El Puente del Tercer Milenio: un hito simbólico de la ciudad,” Cauce 2000: Revista de la Ingeniería Civil, No. 141, 2008, pp. 18–25.
[3]
ARENAS, J.J., CAPELLÁN, G., BEADE, H., MARTÍNEZ, J. y ORTEGA, A., “El Puente del Tercer Milenio sobre el Río Ebro en Zaragoza,” Revista de Obras Públicas, Y. 155, No. 3490, Jul.-Aug. 2008, pp. 75–98.
[4]
ARENAS, J.J., CAPELLÁN, G., BEADE, H., MARTÍNEZ, J. y ORTEGA, A., “El Puente del Tercer Milenio sobre el Río Ebro en Zaragoza,” Rutas: Revista de la Asociación Técnica de Carreteras, No. 127, Jul.-Aug. 2008, pp. 61–64.
[5]
ARENAS, J.J., CAPELLÁN, G., BEADE, H. y MARTÍNEZ, J., “El Puente del Tercer Milenio. Retos en el diseño de puentes desde la perspectiva de la ingeniería creativa (I/II/III). Génesis de formas/Desarrollo/Comportamiento y Cálculo” IV Congreso de ACHE. Valencia, Madrid: ACHE Asociación Científico-Técnica de Hormigón Estructural, Nov. 2008, pp. 343-348.
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