Proyecto y construcción de las pilas y torres del Puente de la Constitución de 1812 sobre la Bahía de Cádiz

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www.sciencedirect.com

www.e-ache.com HormigónyAcero2016;67(278-279):49–60 www.elsevierciencia.com/hya

Original

Proyecto

y

construcción

de

las

pilas

y

torres

del

Puente

de

la

Constitución

de

1812

sobre

la

Bahía

de

Cádiz

Design

and

construction

of

the

piers

and

pylons

of

the

Constitución

de

1812

Bridge

over

the

Cadiz

Bay

Silvia

Fuente

García

a,∗

,

Jesús

de

los

Ríos

de

Francisco

b

,

Conchita

Lucas

Serrano

b

y

Antonio

Martínez

Cutillas

c

a_Ingeniera_de_Caminos,_Canales_y_Puertos,_Carlos_Fernández_Casado,_S.L.,_Madrid,_Espa˜na

b_Ingeniero/a_de_Caminos,_Canales_y_Puertos,_Dragados,_S.A.,_Madrid,_Espa˜na

c_Doctor_Ingeniero_de_Caminos,_Canales_y_Puertos,_Carlos_Fernández_Casado,_S.L.,_Madrid,_Espa˜na

Recibidoel16deoctubrede2015;aceptadoel1defebrerode2016 DisponibleenInternetel30demarzode2016

Resumen

LastorresdeltramoatirantadodelPuentesobrelaBahíadeCádizsonelelementoresistentefundamentalenservicioydeformarelevantedurante laconstrucciónporvoladizossucesivosdeltablerohastaapoyarenlaspilasderetenida,a200m,soportandograndesdesequilibrios.

Todaslaspilasestándise˜nadasbasándoseenunamismaideaformal,convariacionesnecesariasporfuncionalidad.

Laspilasnormalessonmonofuste,decantovariable.EnelaccesodesdePuertoReal,bajoelejedeltablerodiscurreunvialinferiorylaspilas seabrenformandounpórticoconundintelpretensadosobreelqueapoyaeltablero.

Lastorresprincipalessonunfusteúnicoenlaparteinferior,queseseparaen2brazosinclinadospermitiendoelpasodeltablero,ysecierraa laalturadelosanclajesdelostirantesenuncajónmixto.Lastraccionesbajoeldintelserecogenmedianteunavigatransversalpretensada. ©2016AsociaciónCient´ıfico-TécnicadelHormigónEstructural(ACHE).PublicadoporElsevierEspaña,S.L.U.Todoslosderechosreservados.

Palabrasclave: Torreatirantada;Armariometálico;Desequilibriodeproceso;Encofradoautotrepante;Cimbra

Abstract

ThepylonsofthecablestayedbridgeoverCádizBayarethemainsupportsforserviceloads,andalsoduringtheconstructionofthedeckbyfree cantileversystem,untilitreachesthebackspanpiers200mapart,supportingimportantunbalancedloads.

Theentirebridgeisdesignedaroundanideaofuniformityinshapes,allowingforvariationsrequiredforfunctionalreasons.

Normalpiersconsistofuniqueshaftsofvariabledepth.AtthePuertoRealaccess,thereisanareawitharoadundertheaxisofthebridge.There thepierstransformintoframeswithapre-stressedgirderthatsupportstheconcretedeck.

Themainpylonsconsistofashaftthatsplitsintotwoinclinedbranchestoallowthecrossingofthedeck,andmergeagainatthestayanchorage heightinacompositecage.Thetensionalforcesunderthedeckaresolvedbyatransversepre-stressedgirder.

Keywords:Cablestayedpylon;Steelcage;Unbalancedconstruction;Climbingformwork;Scaffolding

∗_Autor_para_{correspondencia.}

Correoelectrónico:[email protected](S.FuenteGarcía).

1. Introducción

Eneldise˜nodel puenteprimalaideadeunidadformalen todasu longitud,incorporandolasvariaciones indispensables porfuncionalidad.

http://dx.doi.org/10.1016/j.hya.2016.02.001

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50 S.FuenteGarcíaetal./HormigónyAcero2016;67(278-279):49–60

Figura1. Pilasmonofuste.

Laspilasnormalessonmonofuste,decantovariable, solu-ciónconmuybuenresultadovisualqueevitaelefectopantalla. Estángeneradaspor2trapeciosunidosporsubasemásancha querecorrenelejedelapilamanteniendolasbasesconstantesy variandosualturaparaganarcantoentantoenlasección infe-riorcomoenlasuperioralaalturadeltableroparaalojarlos apoyos,conunacinturadesecciónmínimaqueaportaesbeltez (fig.1).EnelaccesodesdePuertoReal,enlazonaenlaqueen laproyecciónenplantadeltablerodehormigóndiscurreunvial inferior,lostrapeciosseseparanparaconvertirseenlos2fustes

Figura3.Vistageneraldepilas.

Figura2.Pilaspórtico.

de unpórtico conundintel pretensadosobreelqueapoyael tablerodehormigón(fig.2).

Las torres principales siguen la misma idea; se trata de un fuste único ensu mayor parte,quese separa en 2 brazos trapeciales inclinados para permitir el paso del tablero, y se vuelveacerraralaaltura delos anclajesde lostirantes.Las traccionesqueaparecenbajoeldintelserecogenmedianteuna viga transversal pretensada.La parte superior es mixta,para recogerlosefectostransversalesdelostirantes(figs.3y4).

Figura4.Torreenconstrucciónconcarrosdeizadodetableroperspectivay alzado.

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2. Descripciónygeometría

Elalzadofrontalde lastorresesdetipo diamanteconuna riostrahorizontalsobre laqueapoyaeltablero. Elfuste final es mixto, con un cajón metálico centraldonde se anclan en 22niveles,conunamodulaciónde2mlas2parejasdetirantes, dispuestosensemiarpaenalzadoyconfluyendosusejesenel centrodelfuste[1–4].

El contorno está generado por la evolución a lolargo de losejesdelosdiferentesfustesde2trapeciosquearrancanen elencepadoconsusbasesmayoresyuxtapuestassegúneleje longitudinal,formandounhexágonoperaltadode14×9m;la

primeramedidaesladistancia,ensentidotransversal,entrelas basesmenores,de4m,quesemantienenconstantesentodala altura;la segundamedidaes la magnitud delasbases de los trapeciosenelarranque(fig.4).

Estostrapecios, ensu evolución enaltura,terminan enun hexágonodedimensiones6,16×6malacota186m,sobrela

bahíadeCádiz.

Laúnicadimensiónconstantedelcontornodecualquier sec-ciónes laanchuradelascaraslateralesexteriores,los 4mya citados.Conlaexcepcióndelosfustesinclinados40◦_con_la

hori-zontal,quesoportanlariostra,elrestosonhuecos,conespesor deparedvariablesegúneltramo.

Lariostratieneuncantode3m,unaanchurade7myuna longitudentreintersecciónconlosejesdelosfustesinclinados inferioresysuperioresde42m.

Delainterseccióndelosbrazossoporteconlariostrasurgen losfusteshuecosconunainclinaciónde75◦_con_la_horizontal,

queconfluyena70msobrelariostra,enelarranquedelfuste únicoqueabrazaelcajónmetálicodondeseanclanlostirantes. Las pilas monofuste tipo «palmera» tienen una sección análoga, de hexágono hueco peraltado, quese ensanchan en coronaciónparasoportarlosapoyosseparados8m(fig.1).

Laspilaspórtico estánformadasporunaseccióntrapecial conlospilareshuecosomacizossegúnsuluzyundintel tra-pecialpretensadoquesoportalosapoyosdeltableroqueestán separados10m(fig.2).

Todaslaspilasestáncimentadasmediantepilotes.Lastorres principaleslohacensobre56pilotesde2mdediámetrocada una,conencepadosde46×40×9m.Laejecucióndelas

cimen-tacionesdelabahíautilizandocajonesestancossedescribeen 2artículosdeestemismonúmero[5,6](fig.5).

3. Vinculacionesentretorresydintel

Lasriostrasdelastorresalojanloselementosdeapoyode todaslasvinculacionesentretorresydintel(fig.6).

El tablero se encuentra empotrado mediante pretensado y 4apoyos provisionalesverticalesen cadapila duranteel pro-cesoenvoladizo,empotramientoqueseliberaunavezsehan colocadolos primerostirantes,sustituyéndoseporlos apoyos esféricosdefinitivos.

Durantetodoelprocesoeltablerosesujetalongitudinalmente alatorreatravésde4cu˜nasexterioresquesesustituyenen ser-vicioporuntopelongitudinalpermanenteenlatorredelmuelle,

Figura5.Recintoestancodecimentacióndetorredelabahía.

Figura6.Detallederiostrayapoyosentorredelmuelle.

capazderesistirtodaslascargasdeservicio,yuntransmisorde impacto (STU) enla pila dela bahía quepermiteresistirlas fuerzassísmicasentreambastorres.

Además,encadatorresealojaunaguíatransversal perma-nente formada por una llaveen eltablero y topesmetálicos ancladosalariostraconapoyosdeneoprenoteflóninterpuestos. Ladescripciónyfuncionamientodetodosloselementosse describeenotroartículodeestemismonúmero[7].

4. Procesoconstructivodelaspilas

Losfustes,tantodelaspilaspalmeracomodelaspilas pór-tico, con alturas muy variables debido a la evolución de la rasante, se ejecutaron conencofrado trepante izado congrúa (figs.7y8).

Las tongadas fueron de 5m, conuna primera tongada de arranque yregularización dealtura variable,en funcióndela alturatotaldelfuste.

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Figura7.Construccióndepilasmonofusteenmar.

capitelenarranqueesde4,37m,yencoronación,10,50m.Para facilitarelmontajeinsitudelaferralladelcapitellosencofrados frontalessemontabanporfases,correspondientesalastongadas de hormigonado, unavez colocada laferralla y el encofrado interior(enelcasodelaprimera).Enlatongadadecoronación, conunfuertearmadohorizontal,sefijabantodosloselementos deanclajetantodelosapoyosdefinitivosdelostableroscomo delosprovisionalesenfuncióndelaoperaciónfuturaarealizar (guiados deempuje,apoyos provisionalesparacolocaciónde dovelassobrepiladeltableroatirantado,etc.).

En las pilas monofuste ubicadas en la bahía, los medios auxiliares (grúa, brazo de hormigonado, amasadoras, etc.) se dispusieronsobreunabarcaza.

Losdintelesdelaspilaspórticosepretensarondesdelascaras inclinadasdel dintel,paralocualse dejaroncajetines quese rellenaríanposteriormente.Enalgunaspilaslostesadosse rea-lizaronen2fases,parteenvacíoypartedespuésdeconstruido elnúcleodeltablero.

Debidoalaescasacapacidadportantedelaexplanada,que hubieraobligadoaunacimentaciónprofunda,losdintelesdela pilaspórticosecimbraronsobreunpaquetedevigasdecelosía degrancantoapoyados,conloscorrespondienteselementosde anclajeyregulaciónparareparto decargas,enlosfustes.Los elementosdeanclajesereplanteabansobreelencofradodelos fustes,siempreenlamismaposiciónrelativa(fig.8).

5. Procesoconstructivodetorresymediosauxiliares

5.1. Fustes.Encofradotrepante

Laconfiguracióndelosencofradospermiteconseguirla geo-metríadefustesdescritaanteriormente,caracterizadaengeneral porquetodaslascarasexceptolaslateralessonalabeadasyde dimensiónvariable.

Los encofrados exteriores de los fustes de las torres son autotrepanteshidráulicamenteparaindependizarsedelas con-diciones de viento y servir de protección de los encofrados interioresy delospanelesprefabricadosdearmadura durante

Figura8.Construccióndepilaspórticoentierra.

elizadoconlagrúa-torre.Lastongadassondealturavariable, entre4y5msegúnlostramos(fig.9).

5.2. Brazosinferiores.Cimbra

Losfustesinferioresinclinadosseejecutanconcimbra, for-mada por una estructura espacial triangulada. Los brazos se ejecutanen5 tongadas.Laprimeraes lacoronación delfuste único,y las4siguientes,2porbrazo,se ejecutan alternativa-mentedeformaqueelfusteopuestocolaboraeneltrabajoen voladizo delquese estáhormigonando (fig.10).Enlafigura puedeverselafasedecoronaciónyahormigonadaylacimbra dispuestaparalastongadasdelosbrazos.

Comolacoronacióndelastongadassehizohorizontal,fue necesarioarmarporesfuerzorasantelasjuntasdehormigonado (fig.11).

Figura9.Ejecucióndefustedetorreconencofradoautotrepante.

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Figura10.Fustesinclinadosinferiorescimbrados.

Figura11.Armaduraderasanteenjuntas.

Figura12.Cimbraderiostra.

Previoalcimbradodelariostrasobrelosfustesinclinadosya ejecutados,se pretensan estosconunostirantesprovisionales por un totalde 32.000kN para soportar elpeso de la riostra y de los últimos 8mde los brazos laterales,que incluyen la zonade anclajedelpretensadodelariostra.Los brazosdela cimbraasuvezestánpretensadoscontralosfustesinclinados paraminimizarlasdeformacionesproducidasporelempujede hormigónsobrelosparamentoslateralesde8mdealtura.

5.3. Riostra

Lariostratieneunpretensadode560.000kN,constituidopor 48unidadesde55cordonesancladosenlascarasexterioresde 4mdeanchura,y dispuestosen12filasy 4columnasenuna alturaproyectada de8m.Enelcentro delariostrade7mde anchuraseconcentranen3filasde16unidades.

Estaconcentracióndepretensadorequiereunoscambiosde trazadoenellímitedelacurvaturaadmisible,utilizandovaina rígidacurvadaamedidaenlazonadetrompetas,ycondiciona ladisposicióndelas2vigaslateralesdelacimbraparapermitir elenfiladodeloscordonesconlacimbrayamontada(fig.12).

Condicionatambiénladisposicióndelaarmadura exterior delosfustes.Supusounacomplicaciónalojarlosanclajesdel pretensadodejandocalleslibresparalaarmaduravertical.

Enlasimágenessepuedeapreciarlavariedaddemedios auxi-liaresutilizados,comolagrúa-torreconcazode5m3deapertura adistancia,elbrazoauxiliardehormigonadoolapasarelade comunicaciónentrefustes(figs.12-16).

5.4. Fustesinclinadossuperiores.Puntales

Losfustesinclinadossuperioressoncajoneshuecos ejecuta-dosconencofradoautotrepante.Parasuconstrucciónseutilizó unpuntalintermediocongatosdearenadispuestoaunaaltura talquepermitiócontrolarlafisuracióndelosbrazos.Fue nece-sarioconsiderarlacontraflechayaqueladeformaciónprevista eraapreciable(figs.14-17).

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Figura14.Encofradoautotrepantedefustesinclinados.Puntalesentre fustes.

Figura15.Encofradoautotrepantede fustesinclinados.Puntalesentrefustes.

Figura16.Encofradoautotrepantede fustesinclinados.Puntalesentrefustes.

5.5. Armariosmetálicos

El fuste finalabraza el cajón de los tirantes formado por módulosrectangularesde2mdealturaydimensionesinteriores longitudinalytransversalde5,38×2,70m.

En la torre en la bahía los cajones se izaban por módu-los, con la grúa-torre, y se iban soldando previamente a la trepa.

Enla torre delmuelle se utilizó lagrúasobre cadenas de 230.000kNmdecapacidad,lamismaconlaquesesubieronla doveladearranquedeltablero(700t),lasinicialesenvoladizoy loscarrosdeizado,loquepermitióizargrandestramosdecajón yarmadurasimultáneamente(figs.18y19).

6. Aspectosrelevantesdelcálculodepilas

Losfustesdelaspilassehancalculadoutilizandoelmodelo generaldebarrasdelpuentecompleto.

Enlametodologíautilizadaparaobtenerlosesfuerzos debi-dosalsismo,seharealizadoelcálculomodalespectralconel modelo completoy otro complementariode laspilas exentas paranoperderlosmodoslocalesdelasmismas,confrecuencias másaltas.

En el casode los dinteles pretensados se ha realizado un modelodeelementosfinitosparaestudiarcondetallelaregión Denlaquese produceelanclaje,asícomoladistribuciónde tensionesenunavigatancorta(fig.20).

21,48

A APARATO DE APOYO

CAJA DE ARENA APOYO DE NEOPRENO

21,48

SECCION A-A

Figura17.Puntalesentrefustesinclinadossuperiores.

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Figura18.Izadodecajonescongrúasobrecadenas.

7. Aspectosrelevantesdelcálculodetorres

7.1. Modelogeneraldecálculo

Ya desde el proyecto se estudió la torre como estruc-tura evolutiva, considerando su propio proceso constructivo.

Figura19. Montajedecajonescongrúasobrecadenas.

Seplanteóelpretensadoprovisionaldelosfustesinferiores incli-nadosantesdecerrarlacélulainferiorconlariostra,asícomoel apuntalamientonecesarioparacompensarelpesodelosfustes superiores.

Elcálculodelprocesodeconstruccióndelatorreserealiza con unmodelo de barrasevolutivo, considerandolos efectos

Figura20.Modelodeelementosfinitosdedinteldepilaspórtico,detallederegiónD.

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Figura22. Perspectivaymodeloderiostrapretensada.

delos elementosprovisionales,cuyos esfuerzosfinales servi-rándehipótesisdepartidaalosdelmodelogeneraldelpuente completo. Sehanconsiderado también,portanto,los efectos diferidosdefluenciayretracción.

Estemodelodebarrasgeneralsehacalibradoconmultitud demodelosdeelementosfinitos.Entreellos,laspropiedadesse hanextraídodeunmodelodelatorrecompleta3Drealizadocon elementossólidosparaelhormigónyláminasparaelacerode lasecciónsuperiormixta,conlaconfiguraciónensuposición realdetodoslosapoyosdeltableroenlatorre(fig.21)[8].En paralelo se realizóun estudiode laevolución del módulode

elasticidaddelhormigónconensayosdeprobetasparaobtener unamejoraproximacióndelarigidezdelatorre.

7.2. Riostrapretensada

Serealizóunmodeloplanodeelementosfinitosdelacélula inferior de hormigón para verificarel comportamiento de la riostra frente alas 560.000kN de pretensadoconun trazado fuertemente curvoy muycorto, queposteriormentese aplicó en un modelode barrasconnudosde proporciónimportante respectoalasdimensionesdelariostra(figs.22y23).

Figura23.Detalledeanclajesdepretensado.

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Figura24.Seccióntransversaldearmarioydetalledeviga.

Mediante este modelose comprobaronlas tensionesde la célulatantoenvacíocomodurantelasfasesdeprocesodelatorre yenservicio,ysecalibraronlasfuerzasdelmodelodebarras paraquelastensionesobtenidasconlosmétodoshabitualesde cálculofuerancongruentes.

7.3. Armariometálicoyconexiónconhormigón

Lapartesuperiordelatorrealojalosanclajesdelos88 tiran-tesen22niveles, conunaparejadelanteray otratraseracada uno.

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Figura26.Modelosdemódulodecajón.

Pararecogereldesequilibrioentrelostirantesdelanterosy traserosdecadanivelsehaplanteadouncajónmetálico conec-tadoalfustedehormigón.Elconjuntofuncionaamododemarco transversal. Los anclajes de los tirantes apoyan directamente sobreunavigaformadapor2 vigasconsecciónenU empre-silladasparaevitarladistorsión,ydejanpasarlostubosdelos tirantesentreellas, transmitiendolos esfuerzosalos laterales delcajónmetálico,queasuvezestánconectadosmediante per-nosalaseccióndehormigón.Elcajónmetálicosecierraporla partedelanteraconunachapafrontalcontaladrosparaelpaso detubosdetirantesquecolaborafrentealosesfuerzosverticales delatorre(fig.24).

Engeneralsepuedeconcluir,apartirdelosmodelosde ele-mentosfinitos completosrealizados,quelamayorpartedela

transmisióndeesfuerzosalhormigónserealizaencadanivel, noacumulandoelcajónmetálicotensionesverticaleselevadas alaalturadelabasadeapoyoenlazonadeconjuncióndelos 2fustesinclinados.

Comoseindicabaenelapartadoanterior,seharealizadoun modelo3Ddeelementosfinitostiposólidosparaelhormigón yláminasparaelcajón,quehaservidoparaanalizarhipótesis simplesrepresentativas,equivalentesalosmáximosesfuerzos en lassecciones delatorre.Sehananalizado ademáseneste modelotodaslasfasesdeprocesonecesarias(fig.25).

Medianteestemismomodelo,asícomoenotrodeláminas,se hacomprobadoeldimensionamientodelospernosconectadores optimizandosudistribucióndentrodecadanivel.Cadaunolos pernostienecapacidaddetransmitirtodalafuerzaverticaldelos

Figura27.Estudioinicialdearmariometálicoconysinhormigónencarasfrontales.

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Figura28.Vistainteriordearmariometálico.

4tirantes,asícomoeldesequilibriohorizontalentrelas2parejas (fig.26).

Serealizóun estudio inicialpara diversas configuraciones delcajón,tantoconmodelosdemódulosindividualescomocon modeloscompletos,considerandounrecubrimientode hormi-gónenlascarasfrontalesquefinalmenteseeliminó,yaque,de existir,lafisuraciónpor compatibilidadde deformacionesera muycondicionante(fig.27).

Antelos esfuerzosgeneralesderoturaenlasseccionesdel fustevertical,sehaconsideradolacolaboracióndetodala sec-ciónmixta,queincluyeelhormigónarmadodeloslateralesy elcajónmetálicointerior,conlareduccióncorrespondientepor lasventanasparaelpasodetirantesyanchoseficaces.

Laestructuradeapoyoinferiordelarmariometálicoal hor-migónse dimensionótantoparatransmitirelpeso propiodel mismoduranteelmontaje,comoparalastensionesenservicio notransmitidasencadanivelalascaraslateralesdelhormigón, provenientesdelos esfuerzos generales deflexión delatorre (figs.28y29).

Figura29.Basadeapoyodelarmariometálicoentaller.

Labasapermiteunreplanteoperfectodelaparteinferior.La geometríadetodoelarmariodebeestarperfectamente contro-lada,contoleranciasmínimas,yaquedeelladependelacorrecta colocacióndetodoslosanclajesdetirantes,conpocacapacidad deadaptaciónunavezdispuesta,salvomediantefresadodelas vigasymecanizadodelasplacasdeanclaje.

7.4. Condicionantesduranteelprocesodeconstruccióndel tableroatirantado

Cuandosetomóladecisióndeconstruireltablerocondovelas de20m,partedelatorredelmuelleyaestabaconstruida,por loquefuenecesarioverificarentodaslasfaseslavalidezdelas seccionesinferiores,asícomocontrolarlaseguridaddelaviga riostraatorsióndurantelasfasesdeconstrucción envoladizo hastalallegadaalprimertirante.

Para las comprobaciones de las secciones de la torre se tuvieron encuenta los efectos no linealesdurante elproceso constructivo;estepuntosedesarrolladeformamásdetalladaen

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Figura31.Vistalateraldelatorre.

elartículodeestemismonúmero«Cálculodel proceso cons-tructivodeltableroatirantado»[9].

Unavezsehubollegadoaapoyareltableroenlasprimeras pilas,enprincipiohubierasidoposiblecontinuarconun desequi-libriomayordeunadovelaentreambosfrentes,peroseimpuso comocondiciónquelapartesuperiordelatorrenuncallegara afisurarseduranteelprocesoparanoa˜nadirincertidumbresal necesariocontroldedeformaciones.

Enlaúltimaimagen seaprecia elaspectofinaldelatorre unavezretiradostodoslos mediosauxiliaresyafaltade dis-ponerelelementoornamentalencoronación. Comose puede ver,sehadejadounplumínenlapartesuperiorparapermitir elizadodematerialdurantefuturaslaboresdemantenimiento (figs.30y31).

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