Puentes mixtos continuos de ferrocarril en zona sísmica en el norte de Argelia

Continuous

railway

composite

bridges

in

a

seismic

zone

in

Northern

Algeria

Diego

Cobo

del

Arco

,

Ingrid

Raventós

Dudous

y

Steffen

Mohr

b_{IngenieradeCaminos,CanalesyPuertos,TEC-CUATRO,JefedeProyectos,Socia,Barcelona,Espa˜na} c_{Dr.IngenierodeCaminos,CanalesyPuertos,TEC-CUATRO,IngenierodeProyectos,Barcelona,Espa˜na}

Recibidoel7deabrilde2017;aceptadoel28deabrilde2017

DisponibleenInternetel20dejuniode2017

Resumen

Elproyectodepuentesdeferrocarrilcontinuosenzonasísmicaes complejo,puestoqueloscriteriosdeinteracciónvía-estructurarequieren esquemasestructuralesmuyrígidosenladirecciónlongitudinal,loquegeneraensituaciónsísmicaesfuerzosmuygrandesenlospuntosfijos ydimensionamientosdelasubestructurapocoeconómicos.Lautilizaciónconjuntadeuntableromixto(parareducirlamasa)ydeaislamiento sísmico(medianteaparatosdeacerodetipoelastoplástico)hapermitidoconstruirdemaneracompetitiva3viaductosferroviariosenelnortede Argeliaadaptándosealosrequisitosimpuestosporlaadministraciónferroviariaargelina.

©2017Asociaci´onCient´ıfico-T´ecnicadelHormig´onEstructural(ACHE).PublicadoporElsevierEspa˜na,S.L.U.Todoslosderechosreservados.

Palabrasclave: Puentesmixtos;Ferrocarril;Vía-estructura;Aislamientosísmico

Abstract

Thedesignofcontinuousrailwaybridgesinanactiveseismiczoneiscomplex,duetorail-structureinteractioncriteriathatrequireveryrigid structuralsystemsinthelongitudinaldirection.Thisgenerateslargeseismicforcesatthefixedpointsandusuallyresultsinanuneconomical substructuredesign.Theuseofacompositedeck(inordertoreducethemass),togetherwithseismicisolation(usingsteeldeviceswith elastic-plasticproperties)haspermittedtheconstructionof3railwayviaductsinNorthernAlgeria,adaptingthemtotherequirementsimposedbythe Algerianrailwayadministration.

©2017Asociaci´onCient´ıfico-T´ecnicadelHormig´onEstructural(ACHE).PublishedbyElsevierEspa˜na,S.L.U.Allrightsreserved.

Keywords:Compositebridge;Railway;Rail-structureinteraction;Seismicisolation

1. Introducción

Elviaductotipopreferidopormuchasadministraciones ferro-viariases elqueestá constituido porunasucesión de tramos isostáticos,puesverificandoadecuadamenteloscriteriosde inte-racciónvíaestructuradefinidosen[1]sepuedeevitardisponer

∗_{Autorparacorrespondencia.}

Correoelectrónico:dcobo@tec-4.es(D.CobodelArco).

juntasdedilatación devía,loquepermitemejorar elconfort delacirculaciónferroviariayminimizar lostrabajosde man-tenimiento.En algunos casos, estasadministraciones aceptan construirviaductoscontinuossolosilalongituddilatablees infe-riora450myenconsecuenciase disponeunaúnicajuntade dilatacióndevíapeque˜na(recorrido±150mm)enelextremo móvil.Enestoscasos,losviaductos tienenqueser longitudi-nalmente muyrígidos(bajofuerzas defrenado y aceleración setienenquedesplazartípicamentemenosde4-5mm),porlo que, en zonas de importanteactividad sísmica, esteesquema

https://doi.org/10.1016/j.hya.2017.04.024

Figura1.Esquemalongitudinaldelos3viaductos.

estructuralgeneraenormesfuerzashorizontalesenelpuntofijo, normalmenteel estribo.Por ejemplo,paraun viaducto típico de150mdelongitud,conmasadeltablero entre30-40t/my con0,40gdeaceleraciónbase,lafuerzahorizontal longitudi-nalenelestribopuedeestarfácilmenteentre45.000-60.000kN. Estasenormesfuerzashorizontalescondicionanseriamenteel dimensionamiento de puentesferroviarios continuos en zona sísmica.

Enlos últimos a˜nos los autores hanproyectado diferentes puentesferroviarioscontinuosenelnortedeArgelia,enzonas deactividadsísmicanotable.Lasestructurasquesedescribenen elpresenteartículocorrespondenalproyectodemodernización de laLínea Ferroviaria Thenia-Tizi Ouzouy hansido ejecu-tadasporlaempresaargelinaE.T.R.H.BGroupeHaddad.Los viaductos se proyectaroncontablero mixto,paraalcanzar un compromisoentrecosteymasa.Parareducirlasfuerzas sísmi-cashorizontalestransversalesenpilasyestribosseutilizaronde maneraextensivaaparatoshisteréticosdeacero,conun compor-tamientoelastoplástico,conelobjetivodeaislarsísmicamente eltablerocontrolandolasfuerzastransferidasentreelmismoy lasubestructura.

2. Descripcióngeneraldelosviaductos

2.1. Dimensionesgenerales

Se han proyectado tres viaductos de longitudes 156, 288 y614m(fig.1),esteúltimocompuestopordostramosde402y 168mconunvanoinerteintermediode40m.Estánformados porvanostipode44-40m(34menvanosextremos)ycontablero mixtoformadopor2vigaslongitudinalesdeacerode3.000mm decantoconlosadehormigónde11,50mdeanchoyespesor mediode320mm(fig.2).Lalosasehormigonósobreprelosas prefabricadasautoportantesde90mmdeespesory11,50mde anchoqueincorporabanpartedelarmadotransversaldeltablero. Entrelasvigaslongitudinalessedispusierondiafragmas trans-versalesconseparacióntípicade4.750mm.Enelplanoinferior se dispusouna celosía metálica, en forma de diamante,para cerrarelcircuitodetorsión,permitiendoreducirladistorsióndel tableroyverificarlascondicionesdealabeobajotráfico ferro-viario.Sobreeseplanoinferiorsedispuso,adicionalmente,una religaparapermitirlainspecciónyelmantenimientofuturosdel tablero.

Figura3.Alzadodepila.

Laalturamáximadelaspilasesde22m.Laspilasse pro-yectaron como pseudorrectangulares con sección maciza de dimensionesexternas7.500·2.200mm(figs.3y4).Las cimen-tacionesfueronsuperficialesoprofundas, dependiendode las particularidadesdelterrenoencadazona.Seutilizaronapoyos esféricosmultideslizantes,dimensionadosparafuerzasúltimas dehasta24.000kN,paratransferiralaspilaslascargasverticales deltablero.

Figura4.Detallesdearmadoenpilatipo.

Figura5.Seccionesmetálicastipo.

3. Proyectoyconstrucción

Elproyectodelospuentesserealizódeacuerdoconlos Euro-códigosparaelmodelodecargaUIC71conparámetro␣=1,1 [2].ElaceroestructuralutilizadoparaeltablerofueS355J2+N paraespesores≤40mmyS355K2+Nparaespesoressuperiores. Laprotecciónanticorrosiónse consiguiómedianteunsistema depinturaconunmínimode200micrasformadoporunsistema homologadoparaaltadurabilidadenambienteC3,deacuerdo con[3].Losespesoresdelaschapasdelasalasinferiores varia-ronentre40y70mm.Losespesoresdealmas,entre20y25mm. Elespesordelalasuperiorfueengeneralde40mm.Losdetalles (fig.5)seconcibieronparaminimizarlosproblemasdefatiga, estadolímitequefuegeneralmentecondicionanteparael dimen-sionamiento.El pesototalde aceroestructural,incluyendo la pasarelademantenimiento,esde3.600kg/ml.

El hormigóndeltablero fueC35/45.El anchodefisurase limitóa0,2mmparalacombinaciónfrecuentedeacciones.

LaproduccióndelaestructurametálicaseefectuóenItalia (tallerBIT),deacuerdocon[4]yparaunaclasedeejecución EXC4.Lalongitudmáximarealizadaentallerfuede11,7mpara facilitar el transporteen contenedores hastadestino. Enobra las vigas longitudinales se ensamblaron mediante soldaduras conpenetracióncompleta,controlándoselassoldadurasal100% mediante ultrasonidos. Todas lasuniones conlos diafragmas transversales y con lacelosía inferiorse realizaron mediante tornillospretensados(métodocombinado)decalidad10.9.

Figura6.PK31duranteelempuje.

Pk24(614m) se empujaronprimero 335mdel tablero desde elestribo1. Lasegundaparte del empuje se realizódesde el estribo2conunalongitudde279m(fig.7).Enesteempujese juntaronlassiguientes3partesdeltablero conuniones provi-sionales(fig.8):

• 67,8mdeltramounoquesejuntabaluegoconlos335mdel tablerodelprimerempuje.

• 40mdeunvanoisostáticoqueeseltramo2deltableropara controlarlalongituddedilatacióndeltablero.

• 168mdelterceryúltimotramodeltablero.

Unavezfinalizadoelempuje,sesoldaronlasdospartesdel tramo1 y se abrieronlas uniones provisionales entre lastres partesdelsegundoempuje.

Después del empuje, el tablero se descendió a la cota definitiva,sedispusosobrelosapoyosesféricosysehormigonó la losa sobre las prelosas prefabricadas. Para disminuir los esfuerzossobrelalosaenlasseccionesdenegativosyminimizar laaparicióndefisurasenelhormigónenedadestempranas,la

Figura7.PK24empujeunoacabadoyrealizandoempuje2.

Figura8.Uniónprovisionaldeltableroparaelempujeentretramo2y3.

secuenciadehormigonadocomenzósiempreenelcuartodela luz,avanzandohacialasseccionesdepilasmásalejadas.

Lasdimensionesdelascimentacionesyelarmadodelaspilas estáncondicionadasporlasaccionessísmicas.Aunque,debido alaislamientosísmicodeltablero,sepuedenutilizarreglasde ductilidadlimitada,todoslosdetallesdearmadoseconcibieron paraquelarespuestahipotéticadelaspilasfueradúctil(fig.4). El estribo actúacomo puntofijo, resistiendofuerzas hori-zontales muy altas (ver más adelante). El estado límite de deslizamiento bajo la combinación sísmica condicionó sus dimensiones.

4. Funcionalidadferroviaria

Losdosviaductoscortosestánlongitudinalmentefijosauno delosestribosmedianteelementoselastoplásticosformadospor una combinaciónde piezas deacero en formade C.La rigi-dezelásticadelconjunto sedefinióparaverificarlasestrictas condiciones de [1]. Dado que la rigidez de las piezas en C noera suficienteparaverificarlos límitesdedesplazamientos horizontalesdeltablero bajofuerzasdefrenado,elsistemase complementóconelementosfusiblesquerompenencortadura paraunafuerzadeterminada.Estopermitiófinalmentedise˜narel carrildemaneracontinuaenelestribofijoyconunajuntade dila-tación(±150mm)enelextremomóvil.Lasaccionesdefrenado y aceleración enestado límiteúltimo se resistenenteramente mediantelaspiezasenC.

El viaducto de 614m tiene un vano inerte de 40m que divide elpuente endostramos continuosfijosa cadaestribo (402+40+168) medianteelementos elastoplásticos.El carril es continuosobrecadauno delosestribos,disponiéndosedos juntas de dilatación de vía sobre las pilas 9 y 10. El vano isostáticode40mestáapoyadoen4neoprenosarmados rectan-gularesSI-H1000/700/75dealtoamortiguamiento(HDRsegún

losaparatoshisteréticos,formados porcombinacionesde pie-zasenformadeC,plastificanentrandoenelrangoplásticopara acciones correspondientes al sismo de dise˜no. El proceso de dimensionamientofueelsiguiente:

a) Determinarlarigidezhorizontalnecesariaporcuestionesde funcionalidad ferroviaria(e.g.,bajo accionesde frenadoy aceleracióneldesplazamientohorizontallongitudinaldebe serinferiora5mm).

b) Determinarelperíododevibraciónlongitudinalparael via-ductoasumiendocomportamientoelástico.

c) Determinar lamínimafuerza de plastificaciónde los apa-ratosdeconexión,puesestosdebenpermanecerenelrango esencialmenteelásticobajolaacciónsísmicafrecuente (limi-tacióndeda˜nos).

d) Verificar si la fuerza mínima de plastificación elegida es mayorquelasfuerzas«mayoradas»defrenadoyaceleración (enELU).

e) Asumirqueelaparatoplastificarábajolaaccióndelsismo dedise˜noydeterminarcuálseráelmáximodesplazamiento.

Elprocesodedimensionamientoseilustramejorconun ejem-plo,utilizandounmodelosimplificadodeungradodelibertad. Paraelpuentede156mdelongitudlasfuerzashorizontalesde frenadoyaceleración,deacuerdoconelmodelodecargadelos eurocódigos,son:

F =1.1·156·20+1000=4432kN (1) Larigidezhorizontalrequeridaporcuestionesde funciona-lidadferroviariaestáenelentornode:

K≈ 4432

0.005 ≈900000kN/m (2) Asumiendounamasapor unidadde longitudde30t/m,el valoraproximadodelprimerperíododevibraciónlongitudinal es:

T =2πm/ k=2π4680/1000000=0.45s (3) Porlotanto,deacuerdoconelespectroelásticoderespuesta paraelsueloparaelsismo«frecuente»(fig.9),lamínimafuerza deplastificaciónde los elementosdeconexiónconel estribo deberíaser:

Fy>4680·2.9=13500kN (4)

Estevaloresmayorquelafuerza«mayorada»defrenado.

Figura9.Espectroselásticosenaceleraciones.

Ahora,asumiendoqueelaparatoentraráenelrangoplástico bajolamáximademandasísmica,elvalordelmáximo desplaza-mientoesperabledsepuedeexpresarcomofuncióndelperíodo devibración:

T =2π

_m

Ke

=2π

_m

Fy/d

⇒d= FyT

2

4π2_m (5)

Laecuación (5) utilizael conceptoderigidez efectivaKe,

definidaenelpuntodemáximodesplazamientocomolafuerza deplastificacióndivididaporesedesplazamiento.

Finalmente,el espectrodedise˜noen aceleraciones (Sa) se

puedetransformarenespectroendesplazamientos (Sd):

Sd(T)=

Sa(T)·T2

4π2

7

2+η (6)

endondesehanincorporadolosefectosdelnivelde amortigua-miento (η).

Enlafigura10semuestranambasecuacionesgráficamente, utilizandounvalortípicodel20%paraelamortiguamiento.En elpuntodeinterseccióndeambasgráficasdeterminamoselvalor delmáximodesplazamientoesperado,d=55mm.Deacuerdo con[5] y [6],se debeaplicarun factorde seguridadde 1,50 sobreestedesplazamiento,porlotanto,ennuestrocasolos apa-ratos elastoplásticos longitudinales se predimensionaron para unafuerza de plastificaciónFy=13.500kN,requiriéndose un mínimodesplazamientoúltimode85mm.

Figura11.Aparatoselastoplásticosenestribos.

Figura13.Vistasgeneralesdelosviaductos.

Enrealidad, los aparatoselastoplásticos se dimensionaron utilizandoun análisis multimodal conrigideces efectivas (de acuerdo con [6]) y luego se verificaron mediante el uso de acelerogramassintéticos eintegraciónnolineal eneltiempo. Estosanálisisdetalladosmostraronunmuybuenacuerdoconel métodosimplificadodeungradodelibertaddescrito anterior-mente.

Finalmente, los aparatos elastoplásticos longitudinales se especificaronparacumplirlassiguientescondiciones:una rigi-dezmínimaelásticadeterminada,unafuerzade plastificación Fyporencimade13.000kN,unafuerzaúltimapordebajode 15.000kN y undesplazamientomínimoúltimo (requeridoen ensayos)de100mmparalospuentescortosyde150mmpara elviaductolargo.Losaparatoselastoplásticossecompusieron finalmentepor2gruposdepiezasenC,instaladosenlosestribos fijoscontraunagranvigadehormigónarmadoyatornilladosa lasvigaslongitudinalesdeltableroaniveldecentrode grave-daddelmismo(fig.11).SefabricaronporF.I.PIndustrialyse ensayarondeacuerdocon[5](fig.12).

5.2. Análisistransversal

Enladirecciónlateraltransversaleltablerotambiénsefijó entodaslaspilasmedianteaparatoselastoplásticos.Estos apara-tosdebenpermanecerenelrangoesencialmenteelásticoparala accióndelsismo«frecuente».Estacondicióngobiernael dimen-sionamientoyestablecelafuerzadeplastificacióndelaparato. Paraobtenerestasfuerzasseutilizóunanálisismultimodal.Para

laacciónsísmicadedise˜no,losaparatosplastifican,disipando energía mediante amortiguamiento histerético y transfiriendo fuerzashorizontalescontroladasalaspilasycimentaciones.

Denuevoaquísepuedeobtenerunaprimeraestimacióndel desplazamientoúltimonecesariomediantemétodos simplifica-dos,puessepuedeestimarlaaceleracióncomoFyentrelamasa asociaday,asumiendounniveldeamortiguamiento(típicamente entre15-20%)enelespectroenaceleraciones,sepuede determi-narelperiododevibraciónefectivo.Unavezobtenidoelperiodo devibraciónefectivo,laecuación(5)permiteestimarelmínimo desplazamientoúltimorequerido.

Ennuestrocaso,eldimensionamientose realizóutilizando métodosmultimodalesconrigidecesefectivasajustadasyluego se verificómediantelaintegraciónnolinealen eltiempo uti-lizandocomoentradaacelerogramassintéticos.Laspilasylas cimentacionessedimensionaronconunfactordeprotecciónde 1,40comomedidadeseguridadadicional.

desplazamientoúltimodelosaparatos,comosegundalíneade defensacontraelsismo.

6. Conclusiones

El proyecto de puentes de ferrocarril continuos en zona sísmica es complejo, porque los criterios de interacción vía-estructurarequierenesquemasestructuralesmuyrígidosenla direcciónlongitudinal,loquegeneraensituaciónsísmica esfuer-zosmuygrandesenlospuntosfijosydimensionamientosdela subestructurapocoeconómicos.Lautilizaciónconjuntadeun tableromixto(parareducirlamasa)ydeaislamientosísmico (medianteaparatosdeacerodetipoelastoplástico)hapermitido construirdemaneracompetitiva3viaductosferroviariosenel nortedeArgelia(fig.13)adaptándosealosrequisitosimpuestos porlaadministraciónferroviariaargelina.

Agradecimientos

Laconstrucción delasobraslasrealizóE.T.R.H.BGroupe Haddad(N.Boumezoued,W.Saidi,S.Degui)yelmontajede

laestructurametálicalarealizóSPIC-PROCOM(U.Cozzani, A.Lattanzi).

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