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Realizaciones: puentes y pasarelas

PUENTE EN CASTIELFABIB – REHABILITACIÓN DE UN PUENTE ARCO

DE SILLERÍA CON MICROPILOTES Y PRETENSADO

Proyectos y realizaciones: puentes

Pablo VILCHEZ

Ingeniero industrial

FREYSSINET S.A.

Ingeniero DT

pablo_v@freyssinet-es.com

Ricardo MASSON

Ingeniero civil

FREYSSINET S.A.

Ingeniero DT

ricardo_m@freysinet-es.com

Patrick LADRET

Ingeniero superior

FREYSSINET S.A.

Director Técnico

pladret@freyssinet-es.com

José Antonio Martínez

Ingeniero Técnico Industrial

FREYSSINET SA

Jefe de obra

jantonio_m@freyssinet-es.com

Palabras clave: arco, sillería, refuerzo, reparación, micropilotes, pretensado

1. Introducción

1.1. Descripción de la estructura

En el PK 5+150 de la CV-470 se encuentra el paso superior que permite el cruce del barranco

situado en la comarca de Ademuz, en el término municipal de Castielfabib, correspondiente a la

Diputación de Carreteras de Valencia.

Se trata de un puente arco de sillería que se eleva 13,10 m sobre el fondo del barranco. La

longitud de la estructura de fábrica es de unos 48 m, presentando un arco de medio punto central

de 4 m de luz. Los estribos, también de sillería, sobre los que apoya el arco, tienen sus

paramentos ligeramente inclinados, a modo de contrafuertes.

Figura 1: Alzado. Grieta entre bóveda y tímpano

1.2. Descripción de los daños

En las inspecciones realizadas en octubre de 2011 se observaron las siguientes anomalías:

fisuras muy abiertas en planos verticales longitudinales en la unión del tímpano (de 6-10 cm de

espesor) y la bóveda, y entre los contrafuertes y el tímpano (ver Figura 1).

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Conforme análisis estructural del estado previo a la reparación, la causa más probable de las

fisuras formadas han sido los empujes horizontales del relleno sobre los tímpanos, incrementados

gradualmente por el tráfico, lógicamente creciente con el transcurso del tiempo.

1.3. Análisis de posibles causas

La hipótesis inicial de que la causa de las fisuras y grietas fueron los empujes del relleno quedó

confirmada por análisis estructural realizado con un modelo formado por elementos finitos del tipo

shell (tímpanos y bóvedas) y elementos sólidos (relleno). El modelo fue calibrado para obtener en

la base de los tímpanos el mismo empuje real de Rankine bajo carga uniforme. Sobre dicho

modelo se aplicaron las cargas concentradas conforme a IAP-98, puesto que ésta era la normativa

vigente en la fecha de presentación del anteproyecto. El módulo de elasticidad del relleno,

coeficiente de Poisson y peso específico fueron estimados a partir de ensayos geotécnicos.

En la estructura real, las tracciones horizontales son resistidas por el esfuerzo rasante entre

bloques de fábrica, generado por la carga normal vertical y el rozamiento. Las grietas observadas

entre tímpanos y bóveda se deben al eventual desequilibrio entre empujes y rasantes.

Este estado de tensiones ha aparecido gradualmente, a medida que el relleno era compactado por

las acciones repetitivas del tráfico, creciente con el paso del tiempo.

Las grietas pueden haber sido amplificadas por filtraciones posteriores, que suelen arrastrar

material de los rellenos. Las sales de carbonato de calcio observadas en las superficies de la

bóveda y muros son indicativas de estas filtraciones.

Figura 2: Análisis estructural bajo solicitaciones frecuentes

En la Figura 2 puede observarse que en el modelo de cálculo la tensión normal alcanza un valor

máximo de tracción en la unión bóveda – tímpano de F11k,max = + 326 kN/m.

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Debido a la ligera excentricidad del tráfico que supone la presencia de una acequia en uno de los

laterales del tablero, el desplazamiento transversal de la estructura se concentra cerca de la unión

bóveda - tímpano del otro alzado, muy cercano a los carriles.

Las tensiones ofrecidas por el modelo de cálculo corresponden al estado inicial; pese a no contar

con las relajaciones que debieran introducirse para un análisis más riguroso, sí nos proporciona

información suficiente del origen del problema (empujes de tierra bajo tráfico).

1.4. Estudio de alternativas de reparación

Se presentaron a la Diputación de Carreteras de Valencia las siguientes alternativas para la

reparación:

1. Reforzar los tímpanos y la bóveda con una capa de hormigón armado proyectado con grapas

de conexión a los sillares existentes, y bulones transversales en los tímpanos para equilibrar el

empuje. El hormigón estructural sería a continuación revestido con sillares para conservar la

estética de la estructura.

Esta es una solución que puede ser la más indicada en los casos como los siguientes:

a) No hay posibilidad de cortar el tráfico.

b) La estructura se encuentra muy cerca del colapso (pues es la solución de rápida

ejecución).

c) La estética es un factor secundario frente a la importancia del puente como medio de

producción del conjunto de empresas atendidas por la carretera, y como medio de

transporte público en general. Es decir, se trata de una estructura que no forma parte del

patrimonio histórico.

2. Ensanchar la calzada con un nuevo tablero de hormigón pretensado que apoyase en unos

cabezales soportados por micropilotes. El principio de esta solución es el de descargar los

tímpanos de los arcos de las acciones del tablero, de tal modo que solo tengan que soportar su

peso propio.

3. Descargar bóveda y tímpanos conforme a la alternativa anterior sin ensanchar la calzada, sin

afectar a la estética del puente y manteniendo los muretes de contención actuales. Se ejecutaría

un tablero de hormigón pretensado de 4,7 a 5 m de ancho y, como para la alternativa anterior,

apoyado en cabezales soportados por micropilotes.

1.5. Solución adoptada

El cliente optó por la tercera solución, al ser la alternativa que mejor aunaba el refuerzo estructural

y la conservación de la estética, por lo que se procedió a realizar los correspondientes planos y

documentos del proyecto de ejecución.

2. Desarrollo de la solución

2.1. Refuerzo estructural

Se proyectaron dos actuaciones principales:

a) Retirada parcial de tierras sobre la zona del arco con el objeto de reducir empujes de peso

propio.

b) Construcción de un puente integral o pórtico formado por un tablero apoyado en cabezales

cimentados por medio de micropilotes:

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El tablero está constituido por una losa de hormigón de 40 cm de canto y 12,0 m de longitud

apoyado sobre micropilotes por medio de encepados, con la función de eliminar las sobrecargas

actuales sobre el relleno y por tanto su empuje sobre los tímpanos (ver Figuras 3 y 4). También se

consiguió una reducción de las acciones permanentes al eliminar la calzada existente y parte del

relleno bajo ella, sobre tímpanos y bóveda. La losa se ejecutó en hormigón HP-30/B/20/IIa, y lleva

un pretensado longitudinal de 12 tendones 4C15,2 (4 cordones adherentes no autoprotegidos de

140 mm2), en acero Y 1860 S7. El trazado es fundamentalmente recto, situado a 8 cm de la cara

inferior de la losa, y subiendo al centro de gravedad de la misma en sus dos extremos mediante

sendas transiciones parabólicas en los 2,0 m finales de cada lado. El tesado se realizó de manera

individual cordón a cordón mediante gato unifilar.

Los micropilotes, de unos 30 m de longitud, tienen un diámetro de perforación de 185 mm, con

camisa metálica en acero S-355 de diámetro 127 mm y espesor 8 mm. El sistema de inyección fue

repetitiva – selectiva (RS). Se anclan en los macizos laterales al arco hasta el sustrato con una

capacidad portante suficiente.

2.2. Reparaciones de sillería y actuaciones de durabilidad y estética

Otro trabajos adicionales propuestos fueron: sellado e inyección de fisuras, de juntas abiertas y de

grietas en los muros (para evitar fugas de relleno), incluidos los muros ataludados de los laterales,

relleno del material perdido por medio de la mismas inyecciones (por bataches en altura y sin

presión para no ocasionar sobresfuerzos de empujes), mejora de las condiciones de drenaje

(instalación de drenes, sustitución parcial en accesos de la base actual por un espesor de 20 cm

de hormigón en masa), reposición del pavimento, corrección de pendientes, impermeabilización

de acequia, etc.

2.3. Adecuación a normativa

Queda pendiente para completar la adecuación del puente a los requisitos vigentes en seguridad

frente a impacto lateral de vehículos, el ensanche del conjunto a 8,0 m, incluidos los tramos de

acceso, para, de este modo, posibilitar la instalación de pretiles metálicos H2 conforme la Orden

Circular 2872009 del Ministerio de Fomento (ver secciones longitudinal y transversal con pretiles

conforme a OC23/2008 en la Figura 3).

Figura 3: Sección longitudinal y transversal

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Esto podría ser objeto de una actuación futura; no se llevó a cabo durante esta fase de ejecución

debido en parte a que no acabó de resolverse por la propiedad la problemática entre adecuación

completa a normativa y conservación estética y del patrimonio. No obstante, en el diseño de la

cimentación de micropilotes se previó esta posibilidad, de tal modo que la futura ampliación y

adecuación a normativa fuese posible con una reducida afección a la estructura y su operatividad

(solo se requerirían cortes alternos a cada lado e independientes).

2.3.1. Análisis estructural de los nuevos elementos

2.3.1.1. Modelo estructural

El modelo de cálculo empleado se compone de tres conjuntos de elementos finitos

isoparamétricos, correspondientes a cada parte de la estructura (ver Figura 4):

a) Tablero: modelización mediante elementos finitos tipo shell de 4 nodos.

b) Encepados: modelización mediante elementos finitos tipo shell de 4 nodos.

c) Micropilotes: modelización mediante elementos finitos tipo frame de 2 nodos.

Figura 4: Modelo de cálculo en SAP2000

En la Figura 5 se puede observar la introducción del pretensado en el modelo de cálculo.

Figura 5: Modelización del pretensado

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2.3.1.2. Metodología de cálculo

El modelo de cálculo empleado, desarrollado con el programa SAP2000 v15.1, posibilita

determinar las solicitaciones pésimas bajo cargas permanentes, variables, combinaciones y

envolventes tanto en servicio (ELS) como en rotura (ELU). La interacción estructura - terreno se

materializa en el mismo modelo mediante la introducción de apoyos elásticos horizontales de

rigidez compatible con las características del terreno indicadas en el informe geotécnico: para el

Nivel I (relleno granular consolidado) se adopta un coeficiente de balasto horizontal de 20000

kN/m3 (2,0 kg/cm3); en el Nivel II se considera de los micropilotes en su base vista la gran

resistencia del material (los momentos obtenidos resultan despreciables).

En las Figuras 6 y 7 siguientes se muestran resultados del cálculo tanto del nuevo tablero como

de los micropilotes.

Figura 6: Momento flector positivo en el tablero

Figura 7: Axiles en micropilotes

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3. Procedimiento de ejecución

Los trabajos de refuerzo y rehabilitación del puente se ejecutaron de acuerdo con las siguientes

fases:

3.1. Fase 0: Estado actual

Se realizó una inspección preliminar para localización e identificación de los daños principales.

Figura 8: Estado inicial

3.2. Fase 1: Actividades iniciales

Bajo este epígrafe se recogen las siguientes tareas:

Desbroce del barranco para despejar los paramentos en toda la longitud del puente.

Corte del tráfico sobre el puente con barreras de seguridad y señalización.

Replanteo topográfico y ejecución de micropilotes desde el tablero actual.

Limpieza de paramentos (retirada de vegetación, raíces, elementos sueltos, etc.).

Demolición del pavimento.

Excavación y transporte del material a vertedero. Se puso especial atención en dejar al menos 2,5

m de altura de tierras sobre la clave para no eliminar la autoestabilización que suponía el efecto

arco del terreno. El vaciado se realizó por capas, de forma simétrica desde el centro hacia los para

evitar cargas asimétricas sobre el arco.

Figura 9: Excavación con descubrimiento de micropilotes

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Ejecución de los drenes de fondo y la capa de hormigón de limpieza.

3.3. Fase 2: Reparación de muros, arcos y bóveda y ejecución de cimentaciones de refuerzo

En esta segunda fase se acometieron en paralelo las tareas de reparación de la estructura de

sillería y la ejecución de la cimentación del nuevo tablero:

Saneado de paramentos de sillería y sellado de grietas (ver Figuras 10 y 11).

Inyección de grietas y relleno perdido.

Rejuntado general.

Ejecución de encepados: encofrado, ferrallado y hormigonado (ver Figura 12).

Figura 10: Saneado de paramentos de sillería

Figura 11: Sellado de grietas

3.4. Fase 3: Ejecución del nuevo tablero

Montaje del sistema desmontable de apeo del nuevo tablero: sobre el fondo de excavación se

levantó una serie de puntales cortos que sostenían el encofrado perdido de prelosas del nuevo

tablero.

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Figura 12: Pasos de hombre en encepados y conexión a losas

Encofrado del tablero.

Colocación de armaduras pasiva y activa.

Hormigonado de la losa del tablero de 40 cm de espesor.

Tesado de los tendones con gato monocordón.

Comprobación de alargamientos e inyección de tendones y cajetines de tesado.

Figura 13: Ejecución de tablero con losa pretensada

Desmontaje del apeo del tablero: cuando se tesa el tablero, éste se levanta, pasando a apoyarse

sobre los encepados y descargando el apuntalamiento de encofrado. Al existir dos pasos de

hombre (en los extremos del tablero), se accedió a través de ellos a la cara inferior de la losa para

proceder a la retirada del apuntalamiento, y así evitar que en el futuro pudiera haber alguna

transmisión de cargas de tablero (permanentes o variables) al relleno entre tímpanos.

Ejecución de losas de acceso (ver detalle de conexión en Figura 12).

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3.5. Fase 4: Acabados

Finalmente se llevaron a cabo los trabajos de asfaltado del nuevo tablero y ejecución de

acabados, quedando el puente con un aspecto como el que se muestra en la Figura 15.

Figura 14: Estado final tras refuerzo y reparación – Vista inferior

Figura 15: Estado final tras refuerzo y reparación – Vista superior