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Coyuntura
Nuevo puente sobre el Danubio en Bratislava
Carlos J. Bajo Pavía
Ferrovial Construcción
Luis Martín-Tereso López
Ferrovial Construcción
Laura Tordera González
Ferrovial Construcción
Carlos Zanuy Sánchez
UPM Escuela Ingenieros Caminos, Canales y Puertos
Antonio Fco. Alfeirán Rodríguez
José M. Simón-Talero
Apolodoro de Damasco fue un ingeniero y arquitecto sirio que sirvió al emperador Trajano en el desarrollo de grandes obras, entre las que se encuentra el puente sobre el Danubio. En honor a ese experto, Ferrovial Construcción dio el nombre de Proyecto Apolodoro a su primer puente sobre el río mencionado.
Este proyecto ha consistido en una estructura de carácter singular, cuyo diseño y metodología constructiva pretenden ser una referencia para puentes futuros. Para ello, uno de los objetivos es la definición de la instrumentación que permita controlar los movimientos de esta durante la ejecución, lo cual convierte este proyecto de desarrollo en pionero en Europa para puentes de esta índole (esto es, con tableros de gran anchura que, además, se construyen por fases: primero, un cajón central y luego, unos voladizos laterales).
Descripción del proyecto
La obra se enmarca dentro del contrato de colaboración público-privado D4R7 Circunvalación de Bratislava, que llevan a cabo Ferrovial Construcción y Cintra (Eslovaquia) y que incluye la construcción de 14 intersecciones, 122 estructuras de puente, el 6º cruce del Danubio en Bratislava y un nuevo viaducto cerca de la refinería de Slovnaft.
El D4R7 consiste en la ejecución de la variante de Bratislava en su tramo sureste (D4) junto con una nueva autovía radial desde la capital (R7), que comienza en el nudo de Prievoz y discurre paralela al Danubio en la margen norte. Desde el punto de vista de la construcción, el proyecto se divide en 5 secciones o tramos, los cuales vienen diferenciados por colores en la infografía 1.
La estructura más emblemática del proyecto es el Cruce del Danubio, y es ahí donde se encuentra la tipología de puente estudiada en este proyecto.
El puente de cruce del Danubio tendrá una longitud de 3 km y cruzará un entorno de especial protección ambiental. Por este motivo es de vital importancia garantizar que en el proceso constructivo se produzca la menor afección posible al entorno que lo rodea.
El principal desafío a resolver es la ejecución de un puente de 35 metros de ancho total. Este ancho es claramente superior a los que tradicionalmente se proyectan en este tipo de situaciones, por lo que se opta por el empleo de las últimas tecnologías constructivas, tales como autocimbras, carros de avance (lanzadores en el caso de dovelas prefabricadas) y wing-travellers, que permiten ajustar la fabricación en dos etapas claramente diferenciadas (una, para el núcleo central y otra, para voladizos) y que garantizan una reducción de costes en torno al 20-30 % frente a las técnicas habituales de realizar dos tableros independientes.
Colaboración con la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid
La colaboración con la universidad surge ante la posibilidad de realizar un ensayo de laboratorio a escala real que cuenta con una estructura con 3 km de longitud aproximada y donde es necesario aplicar un método científico para obtener resultados que puedan ser útiles en la obtención de datos del comportamiento estructural y futura aplicación del conocimiento adquirido en futuros proyectos.
La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) es una universidad pública fundada en 1971. Sus facultades o escuelas imparten mayoritariamente enseñanzas técnicas.
Planteamiento del proyecto
Dentro de la UPM se encuentra la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos donde se enmarca el departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la ETS dentro del cual trabaja el Grupo de Ingeniería Estructural.
El Grupo de Ingeniería Estructural cuenta con el laboratorio de Estructuras, especializado en ensayos de elementos estructurales a media y gran escala. El equipamiento del laboratorio permite realizar ensayos, tan necesarios en un área como es la de la Ingeniería Estructural en la que la verificación experimental es un complemento esencial a los modelos.
En el presente proyecto han participado como miembros investigadores los siguientes perfiles del equipo propuesto:
- Carlos Zanuy, Dr. Ingeniero de Caminos, MSc Administración y Dirección de Empresas, catedrático, responsable del Grupo de Ingeniería Estructural de la UPM;
- José M. Simón-Talero, Dr. Ingeniero de Caminos, profesor asociado; y
- Elena P. Martínez, investigadora del Grupo de Ingeniería Estructural.
Objetivos del proyecto
Este proyecto de investigación conjunta ha tenido como objetivo poner a punto una metodología de auscultación y control en viaductos de hormigón armado pretensado con tableros de gran anchura —poco habituales en estructuras de cruce— y construidos por fases (Fase 1: cajón central y Fase 2: voladizos laterales, ambos pretensados) que permitan la optimización global del proceso constructivo y la mejora del diseño final del puente mediante el desarrollo de modelos de cálculo mejorados gracias a la caracterización de los efectos tensionales derivados de dicho proceso.
Para este tipo de estructuras las pautas de diseño recogidas en las normativas y modelos de cálculo tradicionales de puentes llevan aparejada incertidumbre en cuanto a la variación de parámetros que afectan al cálculo estructural. Puntos críticos como el ancho eficaz, el gradiente térmico, los efectos diferidos del pretensado, la reología del hormigón, etc. quedan cuantificados por normativa, pero es necesario su contraste real con modelos de comportamiento obtenidos a partir de la evolución de la estructura durante su construcción y puesta en servicio. Por ello, resulta indispensable contar con un modelo de auscultación y de distribución tensional de contraste que pueda compararse con el modelo tradicional y que proporcione una mayor certidumbre de cara a la optimización del diseño y a la garantía de viabilidad constructiva y vida útil de este tipo de estructuras.
Dimensiones transversales de las secciones estudiadas
El puente tendrá una longitud de 3 km y cruzará un entorno de especial protección ambiental
Objetivos científico-técnicos
Para poder conseguir el objetivo principal se han establecido los siguientes objetivos científico-técnicos específicos (OCT) vinculados al sistema de control global:
Desarrollo del esquema de monitorización estructural, que permitirá conocer los efectos y evolución tensional del viaducto durante las etapas constructivas y su futura explotación. Se ha trabajado en la definición y disposición de un sistema de auscultación que permita conocer los siguientes efectos:
- Distribución de tensiones longitudinales en secciones transversales compuestas y evolutivas durante la etapa de construcción; distribución de tensiones longitudinales en el cajón en la primera fase, y en los voladizos, en la segunda.
- Evaluación del gradiente térmico transversal a lo ancho de la sección transversal en función de las temperaturas exteriores e interiores en la sección. Se trata de definir una metodología de auscultación, así como el conjunto de sensores que permitan medir variables tenso-deformacionales (tensiones y deformaciones) y ambientales. Se partirá inicialmente del uso de sensores comerciales que puedan embeberse y funcionar en las condiciones extremas (instalación y funcionamiento habitual) del entorno específico del proyecto. Igualmente se contempla el desarrollo de una plataforma de gestión de datos que posibilite la explotación de la información procedente de la sensórica desarrollada y de las campañas de auscultación que se hagan para el desarrollo del modelo tensional mejorado y del modelo de deterioro de la estructura.
- Definición del mapa de distribución de tensiones en tableros de puentes de hormigón de anchura excepcional, y caracterización de la influencia de los efectos diferidos de los pretensados empleados en la construcción por fases y de la variable tiempo. Dada la gran anchura de los tableros en esta tipología de puentes no es inmediato conocer cuál es la distribución de tensiones normales a lo ancho del tablero de hormigón. Además, como se ha comentado, los voladizos laterales se hormigonan en una segunda fase, esto es, después de haber ejecutado el cajón central. Esto conlleva la dificultad de saber cuál puede ser la distribución de tensiones en estos voladizos laterales y su variación en el tiempo, principalmente debido a los efectos diferidos que puede tener la primera sección pretensada (cajón central) ejecutada sobre la segunda (voladizos), también pretensada.
Cimbra autolanzable
Además, estas distribuciones no tienen por qué ser las mismas para cargas exteriores que generen esfuerzos flectores y cortantes (en realidad, que provoquen esfuerzos rasantes de magnitud variable) que para cargas que provoquen axiles en el hormigón (el pretensado, por ejemplo), ya sean centrados o excéntricos. Por otra parte, es preciso cuestionarse si el efecto del canto variable también puede tener influencia en estos fenómenos.
El segundo objetivo técnico plantea el reto de conseguir una formulación que permita definir el ancho eficaz a utilizar en el cálculo de elementos a flexión de hormigón y, en particular, de tableros de puentes de anchura considerable. El objetivo final es obtener el perfil de tensiones que se desarrolla a lo ancho de la sección.
Con este objetivo se podrán solventar los problemas, vinculados a este tipo de secciones y procedimientos constructivos, asociados a la transferencia de tensiones entre cada fase de la sección transversal a lo largo del tiempo por efectos reológicos del hormigón y acero.
Del mismo modo, los sistemas de análisis del comportamiento en obra vinculados a las soluciones constructivas y la monitorización de su comportamiento en el tiempo permitirán una evaluación dinámica del comportamiento estructural (tensiones, deformaciones y gradiente térmico) de las secciones transversales instrumentadas con sensores embebidos. El desarrollo de estas técnicas de medición ha permitido una comprensión profunda de la evolución de la variación térmica para este tipo de secciones.
Diferentes fases de la construcción del puente.
Descripción técnica del proyecto de colaboración
Este proyecto de colaboración presenta tres puntos de interés innovadores:
En primer lugar, se trata del estudio de la disposición de los sensores de recepción de datos para poder medir los efectos perseguidos (el ancho eficaz de la sección y la distribución del gradiente térmico) en este tipo de puentes de hormigón armado pretensado con tablero de gran anchura. Esta sensórica se ha instalado durante la etapa constructiva del puente y permite monitorizar los efectos anteriormente mencionados. No se trata tanto del desarrollo de nuevos sensores, sino del estudio de la disposición de los mismos, su localización (embebidos en el propio hormigón) y de lo que se ha pretendido medir para poder obtener un modelo de evolución de tensiones que pueda utilizarse en construcciones futuras de tipología similar, permitiendo una disminución en el material utilizado, algo que redunda en una disminución del coste, ya que se abre la posibilidad a la optimización tanto del diseño de la estructura final como durante el procedimiento constructivo.
El segundo punto innovador de este proyecto es que, como se trata de sensores «perdidos» que se instalan en interior de la armadura, esto permitirá estudiar la evolución tensional a lo largo del tiempo del hormigón durante la etapa constructiva del viaducto así como su evolución durante la fase de explotación de este.
Por último, el tercer punto innovador es la obtención de una formulación y un perfil de evolución de tensiones contrastado y validado en un entorno real que permita:
- evaluar la distribución de tensiones normales en puentes de gran anchura;
- valorar la influencia que tiene en dicha distribución el tipo de carga y la variación de canto; y estimar la transferencia de tensiones que puede producirse internamente en cada sección transversal a causa de la ejecución por fases (primero, el cajón central y luego, los voladizos laterales), y principalmente del pretensado.
Por tanto, como resultado se podrá contar con un proceso constructivo y una sensórica optimizados que confirmen que el viaducto propuesto se encuentra en un estado tensional seguro durante todo el proceso de ejecución, y además se podrán optimizar las secciones de acuerdo a la revisión de los modelos de cálculo tradicionales, teniendo en cuenta los efectos reales que tienen lugar en estas tipologías de puente especiales.
Conclusiones del Proyecto Apolodoro
Los sistemas de monitorización y los modelos teóricos de cálculo dan como resultado que ambos modelos cumplen con los requerimientos técnicos del proyecto.
Las fórmulas establecidas para el cálculo del ancho eficaz de los elementos estructurales han de ser corregidas en función de una serie de coeficientes identificados por Ferrovial.
Se ha validado el proceso constructivo y el diseño final del puente mediante modelos de cálculo mejorados debidos a la caracterización de los efectos tensionales derivados de dicho proceso.
El estudio teórico tenso-deformacional de contraste se ha realizado con 3 tipos de modelos:
- modelos de elementos finitos (MEF) tridimensionales;
- modelos de viga con formulación de alabeo;
- modelos de viga con reducción de anchos eficaces según normativas.
Los MEF permiten hacer un estudio tenso-deformacional detallado, detectándose cuál es la relevancia del efecto de arrastre por cortante. Sin embargo, por su complejidad, son modelos de comprobación a posteriori del diseño.
Los modelos de viga con formulación de alabeo, una vez resueltos para casos específicos sencillos de carga (por su compleja resolución), proporcionan soluciones analíticas que sirven de base para los anchos eficaces de las normativas.
Se ha detectado cuál es la normativa que mejor ajusta los anchos eficaces equivalentes a las tensiones de las secciones instrumentadas considerando que el hormigón está postesado y se comporta de manera razonable como un material elástico (sin fisuraciones). Adicionalmente, se ha comprobado que el efecto del arrastre por cortante (shear lag) y los anchos eficaces asociados para las cargas de pretensado no se interpretan correctamente usando las normativas actuales, y se ha detectado cuál es el procedimiento para recoger de forma adecuada este comportamiento estructural.
En resumen, el proyecto Apolodoro, en colaboración con el Grupo de Ingeniería Estructural de la UPM, ha proporcionado las herramientas para aproximar el comportamiento de estructuras de gran anchura a los modelos de cálculo utilizados en el dimensionamiento de los puentes. Las conclusiones obtenidas, basadas en la auscultación y calibración de modelos de cálculo en un futuro permitirán afrontar el diseño de estructuras de gran anchura de manera óptima.