Trabajo Fin de Grado Metodología para el Análisis y
Anuncio
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Trabajo Fin de Grado Metodología para el Análisis y Dimensionamiento de Puentes Construidos Evolutivamente mediante Avance por Voladizos Sucesivos Autora María Luiza Nancu Nancu Tutor Dr. D. Fernando Medina Encina Departamento Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Titulación Grado en Ingeniería Civil Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu ÍNDICE GENERAL PARTE 1…………………………………………………………………………………………………………………… 4 PARTE 2…………………………………………………………………………………………………………………… 42 ANEXO………………………………………………………………………………………………………………………. 147 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………………… 170 3 Parte 1 Puentes de Construcción Evolutiva 4 5 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu ÍNDICE DE CONTENIDO PARTE 1 1. Introducción.......................................................................................................................... 8 1.1 Objeto y Alcance ............................................................................................................. 8 1.1.1 Objeto ...................................................................................................................... 8 1.1.2 Alcance..................................................................................................................... 8 2. Estado del Arte...................................................................................................................... 9 2.1 Construcción de Puentes por Voladizos Sucesivos mediante Dovelas Prefabricadas......... 9 2.1.1 Tipos Estructurales ................................................................................................. 10 2.2 Puentes de Sección en Cajón ......................................................................................... 11 3 Elementos de la Sección ....................................................................................................... 12 3.1 Hormigón para Pretensado............................................................................................ 12 3.2 Acero para las Armaduras Activas.................................................................................. 13 3.3 Anclajes......................................................................................................................... 13 3.3.1 Anclajes Activos ...................................................................................................... 13 3.3.2 Anclajes Pasivos...................................................................................................... 14 3.4 Acopladores o Empalmes .............................................................................................. 14 3.4.1 Vainas..................................................................................................................... 14 3.4.2 Gatos ...................................................................................................................... 14 4. Sistemas de Construcción Evolutiva..................................................................................... 15 4.1 Método de Avance en Voladizo ..................................................................................... 15 4.1.1 Cálculo de Puentes Rectos Construidos en Avance en Voladizo ............................... 16 4.2 Método de Puentes Empujados ..................................................................................... 16 4.3 Método de Puentes Girados .......................................................................................... 17 5. Construcción en Voladizos Sucesivos ................................................................................... 17 5.1 Construcción con Dovelas Prefabricadas........................................................................ 17 5.1.1 Introducción ........................................................................................................... 17 5.1.2 Generalidades ........................................................................................................ 18 5.1.3 Procedimiento de Construcción .............................................................................. 19 5.2 Construcción con Dovelas “In Situ” ................................................................................ 23 5.2.1 Introducción ........................................................................................................... 23 5.2.2 Operaciones Preliminares ....................................................................................... 24 5.2.3 Operaciones Básicas de Ciclo .................................................................................. 24 6 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 5.2.4 Operaciones Posteriores ......................................................................................... 27 5.3 Comparativa entre la Construcción con Dovelas Prefabricadas y las Dovelas Hormigonadas “In Situ” ....................................................................................................... 28 5.3.1 Introducción ........................................................................................................... 28 5.3.2 Dimensionamiento ................................................................................................. 28 5.3.3 Control Geométrico ................................................................................................ 29 5.3.4 Relación Sistema Constructivo y la Luz Principal del Puente .................................... 30 5.3.5 Tiempos de Fabricación y Montaje.......................................................................... 30 5.4 Construcción de Viaductos Vano a Vano por Dovelas Prefabricadas. FCC, Construcción S.A. ..................................................................................................................................... 31 5.4.1 Introducción ........................................................................................................... 31 5.4.2 Tipología Estructural ............................................................................................... 31 5.4.3 Fabricación y Transporte de Dovelas ....................................................................... 32 5.4.4 Montaje de las Dovelas........................................................................................... 33 6. CONSTRUCCIÓN DE PILAS Y APOYOS ................................................................................... 35 6.1 Pilas .............................................................................................................................. 35 6.1.1 Morfología de las Pilas ............................................................................................ 35 6.1.2 Pilas Prefabricadas.................................................................................................. 37 6.2 Apoyos .......................................................................................................................... 37 7. CONSTRUCCIÓN DE ESTRIBOS ............................................................................................. 39 7.1 Introducción .................................................................................................................. 39 7.2 Tipos de Estribos ........................................................................................................... 39 7.2.1 Estribos Cerrados.................................................................................................... 39 7.2.2 Estribos abiertos ..................................................................................................... 39 7.3 Aletas ............................................................................................................................ 40 7.4 Muros Laterales ............................................................................................................ 40 7.5 Estribos Prefabricados ................................................................................................... 40 7.6 Estribos de Tierra Armada ............................................................................................. 41 7.7 Estribos Anclados .......................................................................................................... 41 7.7.1 Tipos de Anclajes .................................................................................................... 41 7 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 1. INTRODUCCIÓN La construcción de puentes surge de la necesidad que tiene la sociedad de salvar obstáculos tales como ríos, valles profundos o grandes valles. El avance de los conocimientos y tecnología a lo largo de la historia ha permitido la evolución de los diferentes materiales y técnicas de construcción. Existen diversos grupos de puentes, definidos según la forma que tiene de trabajar la estructura y el proceso constructivo. Así, se pueden distinguir los siguientes grupos de puentes: puentes de vigas, puentes de losa, puentes arco, puentes atirantados, puentes con sección en cajón, etc. Para los puentes de sección en cajón se utilizan varios procedimientos constructivos. En el presente trabajo se expondrá el sistema de avance en voladizo con dovelas prefabricadas: la metodología del análisis y dimensionamiento de puentes de sección en cajón con almas rectas, construidos según el sistema de avance por voladizos sucesivos. El sistema de avance en voladizos se utiliza en el caso de que los puentes tengan que salvar grandes luces, donde se presentan alturas considerables, lo que hace necesario el montaje del tablero a partir de las pilas. Es aplicable para distintos tipos de puentes: puentes rectos, curvos, atirantados, metálicos, de hormigón, mixtos, etc. Para poder definir de forma completa el sistema de avance en voladizo con dovelas prefabricadas, previamente se resumirán los distintos sistemas constructivos entre los que se encuentra el sistema de avance por voladizos sucesivos, los distintos elementos que se utilizan en el puente, la construcción en voladizos sucesivos con dovelas prefabricadas, por dovelas “in situ” y las diferencias entre ambas, la construcción de pilas y la construcción de estribos. 1.1 Objeto y Alcance 1.1.1 Objeto El objeto de esta primera parte del trabajo es la de reunir la información necesaria para definir el sistema constructivo de puentes por avance en voladizos, tanto la construcción del tablero como la de las pilas y estribos. Según las distintas fuentes de información bibliográficas se podrá enmarcar el sistema de avance en voladizos sucesivos con viga en cajón en un conjunto de sistemas de construcción evolutiva, se podrá establecer la diferencia entre la construcción con dovelas prefabricadas y dovelas hormigonadas “in situ”, el conocimiento de los elementos: pila y estribo. 1.1.2 Alcance · · · · Definir los distintos elementos que componen el tablero. Definir los distintos sistemas de construcción evolutiva dentro de los cuales se encuentra el sistema de avance en voladizo. Definición del sistema de avance en voladizos sucesivos con dovelas prefabricadas, dovelas “in situ” y comparación entre ambas. Definición de los elementos: pila y estribo. 8 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 2. ESTADO DEL ARTE 2.1 Construcción de Puentes por Voladizos Sucesivos mediante Dovelas Prefabricadas En el número 3063 de la revista Obras Públicas, Fernández. C, [3] se realiza un resumen de los puentes construidos en España por voladizos sucesivos desde 1958. Según dicho artículo, el procedimiento de construcción de puentes con dovelas prefabricadas por el método de voladizos sucesivos contiene las ventajas del sistema de voladizos sucesivos y las ventajas de la prefabricación. El primer puente construido por el sistema de voladizos sucesivos es el de Santa Catalina sobre el río Peixe en Brasil en 1931, diseñado por el ingeniero Baumgarten. Se trata de un puente de hormigón armado con dintel continuo de tres vanos. El tramo central tiene 68 metros de longitud, consiguiendo el récord de puente con tramo recto más largo. El procedimiento no tuvo mucha repercusión en el mundo de la construcción debido a que el hormigón armado no se prestaba bien a un dintel con tantas juntas transversales. Veinte años después, Finsterwalder recupera el procedimiento para aplicarlo al puente de Balduinstein sobre el Lahn. El tramo compensado de modo natural tenía 62.10 metros de luz libre, en el cual quedan fijas las características del avance por carro. El sistema tuvo mucho éxito puesto que el pretensado permitía cortar por juntas verticales. La introducción de la prefabricación en la construcción de puentes por voladizos sucesivos aparece en el año 1958 con el puente de Kranoholonski sobre el Moscowa que consiguió su récord en tramos de puentes rectos con el tramo central de 148 metros. En España, el primero de los puentes construidos por este método ha sido el puente de Almodóvar proyectado en el año 1960 y construido entre 1962 y 1964. El puente consta de tres vanos, los laterales de 35 metros y el central de 75 metros. Para este puente se utilizó el procedimiento constructivo de avance en voladizo sucesivo en el vano central. Se empleó dicho procedimiento para poner a punto el sistema, que ha sido modificado posteriormente en lo que se refiere a utilizar el enlace entre dovelas por junta seca en lugar de la junta húmeda que se utilizó en este puente. En la década de los años 60 se construyeron cuatro puentes más con el mismo procedimiento. Estos puentes son: · · Puente de Castejón sobre el Ebro, Navarra. Se proyectó en 1964 construyéndose en el período de 1965 a 1967 por Agromán, S.A. Se trata de un puente de tres vanos principales rectos de 25 metros, 101 metros y 50 metros; y otros tres vanos que describen una curva de 28, 28 y 21 metros. Se prefabricaron seis voladizos de 50 metros con dovelas de 9 Tn. Puente de Sevilla sobre el Guadalquivir. Se terminó en 1968 por la empresa de construcción Dragados y Construcciones, S.A. Tiene dos tramos principales de 56 metros construyéndose dos voladizos simétricos desde la pila central con dovelas de 80 Tn. 9 Trabajo Fin de Grado · · María Luiza Nancu Nancu Puente de Iznájar sobre el río Genil. Terminado en 1969 por Agromán, S.A. Consta de tres vanos de 55, 85 y 55 metros de longitud. Se construyeron a partir de las dos pilas centrales por voladizos simétricos con dovelas de 9 Tn. La altura de las dos pilas es superior a 70 metros. Puente de Los Vados sobre el río Genil. Terminado en 1970 por la Empresa Constructora Hidrocivil. Puente de tres vanos de longitudes: 25, 72, 25 metros. Construido con dovelas de 30 Tn. El sistema constructivo fue adoptado por los franceses, en la empresa Campenon-Bernard en 1964 para el puente de Choisy-le-Roi con luces de 37.50 + 55 + 37.50 metros. Por otro lado, los holandeses también lo adoptan para el puente de Oesterchelde con luces máximas de 95 metros y unas dovelas de peso máximo: 600 Tn. En Checoslovaquia se inician en 1965 una serie de puentes de carretera y ferrocarril que adoptan el sistema. Entre los primeros puentes se encuentra el de Sirniku con luces de 30, 60, 30 metros y entre los segundos, el de Margecanoch con 30.5, 55, 30 metros. 2.1.1 Tipos Estructurales No existe limitación en los tipos estructurales que se pueden utilizar con este procedimiento constructivo. Sirven tanto tramos compensados, como vigas continuas, pórticos, elementos “T”. En el puente de Almodóvar se ha utilizado viga continua isostática mediante tramos laterales con ménsulas de 55 metros y tramo suspendido central de 30 metros. En el puente de Los Vados la solución es de un tramo de tres vanos continuos pero se acerca a un tramo compensado debido a la gran descompensación de luces de los vanos laterales con el central. En el puente de Sevilla sobre el Guadalquivir la tipología es de “T” pura apoyada en extremidades, con la particularidad de que estando articulado el pie del pilar y siendo deslizables los otros dos, el pilar no toma flexiones por descompensación de carga en dintel y únicamente la correspondiente al frenado. En Iznájar y Castejón la tipología es de elementos en “T” con articulación en el centro del vano principal, pero con apoyo en sustentación deslizante en las otras dos extremidades. Durante el proceso constructivo el tipo estructural es distinto al definitivo, debido a que los dinteles funcionan como voladizos y en la situación definitiva los voladizos totales se enlazan mediante articulación deslizante. La mayor diferencia entre la construcción y la estructura definitiva se marca cuando se da continuidad al vano central puesto que ya nunca volverán a ser voladizos los que compusieron el vano central y sufrirá flexiones importantes de tipo dintel en la zona central para actuación de sobrecarga central. En todos los procesos de voladizos sucesivos es habitual avanzar hasta la mitad del vano, lo que obliga a llevar simultáneamente los vanos en dirección contraria. De esta manera, los voladizos se encuentran en los vanos centrales. Pero también se puede llevar el avance en una sola dirección dependiendo del tipo estructural o por las condiciones particulares de cada 10 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu obra. Este es el caso de ejecución de dintel continuo de más de tres vanos o el de un elemento en “T” apoyado sobre pilas en sus dos extremos. Cuando se avanza desde una pila teniendo el vano adyacente ya construido suele ser necesario reforzar el tramo anterior por la falta de compensación de flexiones que determina el dejarlo provisionalmente aislado. Esto se realiza mediante armaduras activas externas que se recuperan al final. 2.2 Puentes de Sección en Cajón La sección en cajón que se utiliza en las dovelas de los puentes utilizando el concepto de postensado resulta ser un modelo reconocido mundialmente. Este modelo se aplica para distintos tipos de puentes: puentes de vigas rectos o curvos, puentes pórtico, puentes atirantados, puentes en arco, etc. La sección en cajón consta de una losa inferior, una losa superior y las almas. La losa superior recibe las cargas de uso del puente y se encarga de conducirlas hacia las almas. Se comporta como cabeza de compresión. Las almas se encargan de asumir las cargas de cortante y conducirlas a los apoyos. La losa inferior cierra el circuito de torsión y almacena las precompresiones del pretensado. Las almas pueden ser perpendiculares a la losa o inclinadas. Las inclinadas pueden presentar algunas dificultades para el encofrado cuando el canto de la viga es variable. El espesor de las almas y de la losa inferior debe ser suficiente para que puedan caber los tendones requeridos. Las ventajas resistentes de la viga en cajón son las siguientes: · · · · · Tiene una gran cabeza superior e inferior, lo que la convierte en una sección buena para soportar grandes momentos flectores positivos y negativos. Tiene una gran rigidez a torsión debido a que se trata de una sección cerrada. Así mismo genera alabeos pequeños y distorsión reducida. Por este motivo, la sección en cajón puede soportar cargas descentradas, asumiendo el torsor. Su gran rigidez transversal permite que las paredes puedan ser esbeltas. Tiene un gran radio de giro, lo que le permite tener un gran rendimiento para el pretensado. Con estas propiedades se puede tener una sección a la vez ligera y resistente, convirtiéndola en la sección óptima de los puentes de grandes luces. 11 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 3 ELEMENTOS DE LA SECCIÓN 3.1 Hormigón para Pretensado Los componentes principales del hormigón para pretensado son: cemento portland, agua y áridos. El cemento portland está constituido en gran medida por silicatos de calcio. Estos silicatos reaccionan con el agua produciendo silicato cálcico hidratado el cual le da la resistencia. También produce hidróxido de calcio que convierte el cemento en un material alcalino, y aluminato cálcico que contribuye a la alcalinidad. Los áridos para el hormigón del pretensado deben ser inertes, duros, no porosos, no expansivos, limpios y han de poseer el tamaño y forma adecuados. · · · · Resistencia a la compresión. En el Artículo 39 de la EHE-08 [7] se define la resistencia característica del proyecto ሺ݂ ሻ como el valor que se debe adoptar para la resistencia a compresión del hormigón. Los hormigones comerciales empleados para el pretensado poseen valores de ݂ en torno a 40 MPa pudiéndose alcanzar valores de 130 MPa. Resistencia a la tracción. Su valor se encuentra en torno al 10-20 % de la resistencia a compresión. Para determinar su valor se suele recurrir a ensayos de tracción indirecta. En caso de no disponer de resultados del ensayo brasileño, un método aproximado de calcular la resistencia a tracción es el siguiente: య ݂௧ǡ ሺܽܲܯሻ ൌ ͲǤʹͳ ඥ݂ ሺܽܲܯሻଶ Módulo de elasticidad, relación tensión-deformación para el hormigón. La curva característica de tensión-deformación del hormigón tiene tres tramos que se pueden distinguir: el primer tramo consta de un comportamiento lineal desde cero hasta un 40% de la resistencia a compresión última; el segundo tramo parte desde el final del primer tramo hasta un 70% de la resistencia última, donde se puede observar un decrecimiento de la pendiente de la curva teniendo como consecuencia una pérdida de rigidez; el último tramo se corresponde con las cargas últimas para las que empiezan a aparecer fisuras. Debido a que la curva tensión-deformación es curvilínea en dos tramos, se pueden definir dos módulos de elasticidad: el módulo tangente (E 0) y el módulo secante (E). Para los puntos situados por encima del dentro del tramo elástico, se le aplica el módulo tangente, siendo la pendiente del tramo recto. Para los puntos situados por encima del 40 % de la resistencia última se define el módulo secante, como pendiente de la recta que une dicho punto con el origen. ܧ ሺܽܲܯሻ ൌ ͳͲͲͲͲ యඥ݂ ሺܽܲܯሻ ; ܧሺܽܲܯሻ ൌ ͺͷͲͲ యඥ݂ ሺܽܲܯሻ Retracción. Se trata de la pérdida de humedad del hormigón con el tiempo. Esto provoca el decremento del volumen. Existen dos tipos de retracción: la retracción plástica y la retracción por secado. La retracción plástica se da durante las primeras horas tras el vertido del hormigón. La retracción por secado ocurre cuando la pieza ha adquirido la forma final y se ha producido una fracción importante de la hidratación química. 12 Trabajo Fin de Grado · María Luiza Nancu Nancu Fluencia. Se trata de la deformación del hormigón ante una carga constante en el tiempo. 3.2 Acero para las Armaduras Activas Las armaduras activas consisten en unos tendones que están compuestos de cordones paralelos que a su vez están compuestos de alambres arrollados. Toda la información acerca de este acero se puede encontrar en el Artículo 32 de la EHE-08 [7]. Las propiedades más importantes son el módulo de elasticidad ሺܧ௦ ሻ, el límite elástico ሺ݂௬ ሻ, la resistencia última ሺ݂௨ ሻ y la relajación del acero a las 1000 horas. La magnitud de las pérdidas ocasionadas por el pretensado es de 200-400 MPa, por lo tanto, el pretensado inicial debe ser elevado. Con aceros de alta resistencia se consigue compensar las pérdidas y obtener un nivel de tensiones adecuado para que se produzca un sistema autoequilibrado con las fuerza de pretensado. La relajación del acero de las armaduras activas sucede cuando estas están sometidas a una deformación constante, lo que provoca una disminución de las tensiones. Para reducir el efecto se suele dar un tratamiento de alivio de tensiones que consiste en calentar en torno a 350ºC y dejar enfriar lentamente. Otra técnica consiste en provocar una elongación permanente en el acero sometiéndolo hasta una tensión del 70 % de su resistencia última a una temperatura entre los 20 y 100 ºC. 3.3 Anclajes Son la sujeción de la armadura para conservar la fuerza de pretensado y transmitírsela al hormigón. 3.3.1 Anclajes Activos Son los anclajes que se sitúan en los extremo de los tendones desde los que se realiza la operación de tesado. Su forma debe ser tal que se pueda anclar el gato de tesado a los tendones. Los anclajes más utilizados son los siguientes: · · Anclajes de cuña. Se hace pasar cada uno de los cordones que componen el tendón por un orificio cilíndrico practicado en la base del anclaje para posteriormente introducir las cuñas y fijar el tendón. Las cuñas son tronco-cónicas para incrustarse en la superficie cilíndrica del cordón. La principal desventaja de este tipo de anclaje es la pérdida de la fuerza de pretensado producida por el deslizamiento relativo entre la cuña y el cordón y por el efecto de penetración de las mismas. Anclaje mediante cabezas recalcadas. Consiste en hacer pasar cada uno de los cordones por los orificios de un disco. Con una máquina portátil se recalcan los extremos de los alambres formando una cabeza de remache de diámetro superior al orificio del disco. El disco está dotado de un sistema para la sujeción del gato de tesado. Entre el disco y la pieza se coloca una placa de reparto de la fuerza sobre la pieza. 13 Trabajo Fin de Grado · María Luiza Nancu Nancu Anclaje mediante rosca. La fijación consiste en la técnica del tornillo y la tuerca. Este sistema es válido en el caso de que las armaduras sean barras y no cordones. 3.3.2 Anclajes Pasivos Su misión es la del anclaje puesto que los cables no se tesan en los anclajes pasivos. Según el mecanismo desarrollado por el anclaje pasivo para la sujeción del tendón se pueden clasificar en: · · · Anclajes adherentes. La fuerza de pretensado se transmite al hormigón por la adherencia entre el hormigón y los elementos del tendón que se encuentran embebidos en él. La desventaja es que el anclaje necesita una cierta longitud a partir del anclaje para que se transmita toda la fuerza de pretensado al hormigón. Se llama longitud de anclaje y a lo largo de ella el pretensado no es totalmente efectivo. Anclajes semiadherentes. La fuerza de pretensado se transmite en parte por adherencia y en parte por el apoyo directo del anclaje sobre el hormigón. Anclajes no adherentes. La fuerza de pretensado se transmite exclusivamente por el apoyo del anclaje sobre la sección extrema de la pieza. 3.4 Acopladores o Empalmes Son elementos encargados de materializar el empalme de tendones. Que sea necesario el empalme de tendones puede ser debido a la deficiente longitud del tendón o debido al proceso constructivo. 3.4.1 Vainas Las vainas son los elementos a través de los cuales se introducen los tendones. Deben tener la rigidez suficiente para soportar el hormigonado y la compactación mediante vibradores. Para tendones no adheridos se emplea una vaina corrugada de plástico. Para tendones adheridos se emplea chapa galvanizada corrugada. Para este último caso, se debe garantizar la completa estanqueidad del conducto y que la sección transversal del mismo sea tal que la del tendón no supere el 50%, ya que ocasionaría problemas en el momento de inyectar la vaina. 3.4.2 Gatos La mayoría de los tipos de gatos disponen de un mecanismo auxiliar que sirve para empujar y clavar las cuñas antes de la transferencia, reduciendo el efecto de penetración de cuñas. Los gatos suelen funcionar con dos bombas: una de alta presión para la operación de tesado y otra de baja presión para el clavado de las cuñas. 14 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 4. SISTEMAS DE CONSTRUCCIÓN EVOLUTIVA A continuación se expondrán los diversos sistemas constructivos de puentes que existen. Cada sistema se ejecutará según unas necesidades y en función de unas condiciones. Existen los siguientes métodos: · · · Método de construcción de puentes por voladizos sucesivos. Método de puentes empujados. Método de puentes girados. 4.1 Método de Avance en Voladizo Este método se utiliza cuando es preciso salvar grandes luces, imposibilidad de disponer de pilas intermedias cuando se trata de salvar un curso de agua, o en zonas montañosas de gran altura. Este procedimiento resulta igualmente válido para puentes rectos, arco y atirantados. Este método consiste en la construcción progresiva de los vanos a partir de un punto fijo, que suele la pila y a partir de ella, se va construyendo en forma de “T” mediante voladizos a ambos lados de la pila. Esta técnica resulta válida tanto para puentes hormigonados “in situ” como para puentes que utilizan dovelas de hormigón prefabricadas. Este método es el que se utilizará en este proyecto: construcción evolutiva de puentes de dovelas prefabricadas por voladizos sucesivos. Se expondrán las técnicas de construcción para el hormigonado “in situ” y las técnicas de la prefabricación. Posteriormente se detallarán las diferencias entre ambas. Ilustración 1. Puente construido por voladizos sucesivos [11]. 15 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 4.1.1 Cálculo de Puentes Rectos Construidos en Avance en Voladizo El cálculo se divide en dos partes diferenciadas: el cálculo que se realiza durante el proceso constructivo y el cálculo del puente en servicio. Siendo conveniente para ambos cálculos tener el mismo modelo lo más completo posible, en el que figuren: dintel, pilas, estribos, etc. El dintel se modelizará como un elemento tipo viga, debido a que la dimensión longitudinal es mucho mayor que las otras dos, para facilitar el cálculo con el correspondiente programa de Elementos Finitos. La discretización del mismo se realizará disponiendo un nudo por cada extremo de dovela. De esta manera el cálculo se realizará con mayor precisión. Por otro lado, la pila se discretizará en un número suficiente de secciones de manera que los resultados obtenidos sean los deseados. Las vinculaciones entre pila y dintel se reproducirán mediante condiciones de contorno, según sea la unión. El cálculo del modelo se realizará considerando cada una de las cargas y sobrecargas a las que se encuentra sometido: peso propio, cargas muertas, hipótesis de sobrecargas distribuidas y puntuales que produzcan los esfuerzos máximos y mínimos en el dintel y las pilas, hipótesis de viento, fuerza centrífuga, retracción, fluencia y temperatura en el hormigón, etc. Combinando todas las solicitaciones de forma adecuada, se obtendrán los esfuerzos de carga permanente y máximos y mínimos en cada sección para los seis esfuerzos: axil, dos cortantes y tres momentos a los largo del tiempo. El único esfuerzo que no se debe realizar en este modelo es el de peso propio. Existen dos tipos de peso propio: el peso propio que se obtiene siguiendo el proceso constructivo fase a fase (t = 0) y esfuerzos debido al peso propio considerando las variaciones de los esfuerzos en t = 0 debidas a la fluencia y retracción del dintel. Calcular en el modelo definitivo los esfuerzos de peso propio es incorrecto. La metodología a seguir es calcular los esfuerzos en t = 0 y la corrección de estos esfuerzos por fluencia y retracción para obtener los esfuerzos a tiempo infinito o esfuerzos de servicio. 4.2 Método de Puentes Empujados El método consiste en montar el tablero detrás del estribo y posteriormente empujarlo deslizándolo sobre las pilas hasta que alcanza su posición definitiva al llegar al otro estribo. El trazado en planta debe ser recto o curvo, de manera que cualquier parte del puente pueda coincidir con las pilas. De esta manera, el puente va discurriendo sobre las pilas hasta su terminación sin necesidad de cimbra que lo soporte. El rango de luces óptimo para los tableros empujados se encuentra entre los 30 y los 60 metros. Las variantes que se plantean son la construcción según los cuatro movimientos posibles: trasladarlos según su eje, riparlos transversalmente, construirlos en posición elevada y luego descenderlos, guiarlos sobre uno o varios ejes. 16 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu En el caso de construcción del puente en posición más elevada y posteriormente descenderlo, el tablero se construye en alto de manera que la cimbra se pueda alojar sin interrumpir el tráfico. Ilustración 2. Método de Puentes Empujados [12]. 4.3 Método de Puentes Girados La traslación transversal o giro consiste en construir el puente con el eje en cierta dirección, generalmente la orilla del río y trasladarlos transversalmente a la posición definitiva. Una forma de proceder es construir el puente completo en la orilla y girarlo posteriormente. Otra forma es construir en ambas orillas parcialmente dos semipuentes y girarlos sobre las pilas hasta que coincidan y de esta manera poder unirlos. 5. CONSTRUCCIÓN EN VOLADIZOS S UCESIVOS 5.1 Construcción con Dovelas Prefabricadas 5.1.1 Introducción La diferencia con la construcción del puente por voladizos sucesivos por hormigonado “in situ” es que la fabricación de las dovelas se realiza en una zona aparte de la zona donde se realiza la obra. Es escogido el uso de dovelas prefabricadas en el caso de puentes muy largos. La construcción de puentes con el método de dovelas prefabricadas aumenta la velocidad de ejecución puesto que se puede colocar una o dos dovelas por día mientras que en el hormigonado “in situ” se realiza una dovela por semana. Los problemas que surgen en este tipo de puentes con este tipo de construcción se concretan en cómo es la dovela, las juntas de unión entre dovelas, cómo se deben construir las dovelas y cómo se montan. 17 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Este procedimiento fue utilizado por vez primera en España por Carlos Fernández Casado en los puentes Almodóvar en el año 1962 y en el de Castejón en 1968, teniendo este último una luz principal de 101 metros. En los años 70 el método de construcción de puentes con dovelas prefabricadas adquirió un gran avance en Francia, desde donde se difundió por el resto del mundo. Este método se puede considerar que ha evolucionado a lo largo de tres generaciones de dovelas. La primera generación de dovelas, llevaban juntas de mortero de cemento, llave única a cortante y cables anclados en la propia junta. La segunda generación se caracteriza por la prefabricación conjugada, el empleo de resinas epoxi en las juntas, las llaves múltiples para el cortante y el anclaje de los cables en el interior de la dovela en unos bloques dispuestos para tal fin. La tercera generación, en los años 70 en Francia, se caracteriza por el pretensado exterior y lamas de celosía de hormigón o metálicas. Actualmente en España, las dovelas prefabricadas con junta de resina se utilizan en puentes construidos con la técnica de avance en voladizo de dos tipos: para tableros de una calzada de 12 metros de ancho en el rango de luces de 80 a 125 metros; y el tableros para dos calzadas de autovía de hasta 27 metros de ancho, para luces entre 75 metros hasta 106 metros. En los años 90 se emplearon dovelas de junta seca y pretensado exterior, en 4 viaductos isostáticos construidos vano a vano por FCC con luces de 45 metros. 5.1.2 Generalidades La prefabricación consiste en la división del tablero en elementos de construcción denominados dovelas. Estas dovelas suelen tener el peso comprendido entre 50 y 100 Tm. La prefabricación de las dovelas se lleva a cabo en las inmediaciones de la obra, en un parque de prefabricación. La característica fundamental de este método es que en las juntas entre dovelas no se deja conexión de armadura pasiva, lo que implica que la continuidad del tablero se consigue únicamente con el postensado. Las juntas que se han desarrollado para este método son juntas en seco con resina epoxi. Las juntas secas se caracterizan porque la transmisión del esfuerzo cortante se realiza mediante el contacto directo entre los hormigones de las dos dovelas que están en contacto, o por el dentado continuo que se dispone a lo largo de las almas y en la cabeza superior e inferior en función de los esfuerzos. Ilustración 3. Dovelas con llaves múltiples [16]. 18 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu En el otro tipo de junta, se aplica sobre una de las dos superficies que estarán en contacto una capa de resina epoxi. Antes de realizar el montaje de las dovelas, se coloca entre ambas un pretensado provisional con la función de repartir la resina por toda la superficie. Es menester decir que la misión de la resina no es soportar los esfuerzos de cortante, sino mejorar el contacto entre las dovelas para que estas trabajen con la mejor uniformidad posible y proporcionar impermeabilidad a la junta. El método de la dovela conjugada consiste en la utilización en la prefabricación de cada dovela, como encofrado de una de las caras de la dovela, la que estará en contacto con ella. Esto es debido a que no deben existir diferencias geométricas en las caras de las dos dovelas que estarán en contacto, con el fin de que se presente una adecuada transmisión de esfuerzos cortantes en los dos tipos de juntas. Un problema que surge en las juntas sin armadura pasante es que la transmisión del cortante a través de la junta, se realiza únicamente por la fricción producida por el axil de pretensado. Para aumentar la capacidad resistente al corte de la junta se utilizan las llamadas llaves de cortante, que hacen que se eleve el coeficiente de rozamiento. Otra característica de las juntas es la capacidad que tienen de proporcionar protección frente a los agentes externos a la armadura activa. Las juntas secas no garantizan la impermeabilidad total, por tanto, se utilizan juntas secas con pretensado exterior, cuya protección se consigue mediante barreras específicas, vainas de acero o polietileno y lechada de cemento o cera. En cambio, la junta con relleno epoxi garantiza un protección al pretensado análoga a las estructuras monolíticas. Por tanto, la normativa permite la utilización de pretensado interior. La ventaja de utilizar juntas secas es la velocidad de colocación de las dovelas. En cambio presenta el inconveniente de que el pretensado exterior no se pone en carga hasta que la estructura no está completa en su totalidad, lo que implica que el tablero carezca de estabilidad a lo largo del montaje, siendo necesaria su sustentación mediante cimbras. Por otro lado, la resina epoxi precisa de la aplicación de una compresión mínima de 0.3 MPa en las juntas, lo que se traduce en una ejecución más complicada y la introducción del pretensado definitivo a medida que avanza el montaje. Como los rendimientos son menores que en la utilización de junta seca, este sistema se utiliza cuando es necesario pretensado interior. Las dovelas con junta de resina epoxi se utilizan generalmente en los tableros de avance en voladizo, generalmente en tableros viga, aunque también se utiliza en tableros atirantados. 5.1.3 Procedimiento de Construcción 5.1.3.1 Parque de Prefabricación Generalmente un parque de prefabricación tiene a su disposición la infraestructura necesaria para la elaboración, distribución y puesta en obra del hormigón, producción de aire comprimido, curado al vapor, parque de ferralla y manipulación y acopio de elementos prefabricados, así como elementos de control geométrico. 5.1.3.2 Fabricación de Dovelas Como se ha indicado con anterioridad, para que las dos caras de dovelas adyacentes dispongan de la misma geometría, se utiliza el método de la dovela conjugada, utilizando como 19 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu encofrado de una cara la dovela con la que va a estar en contacto. Existen dos métodos para la fabricación de dovelas por el método de la dovela conjugada: fabricación en línea larga y en línea corta. Ilustración 4. Método de la dovela conjugada [2]. 5.1.3.2.1 Método de la línea larga Consiste en la ejecución de una cama con la geometría del fondo del tablero que se pretenda fabricar, sobre la que se hormigona todo el tablero dovela a dovela con un encofrado que se traslada a lo largo del mismo. Se considera que este procedimiento está poco automatizado y que ocupa mucha superficie. Por tanto, se dejó de utilizar hace años. 5.1.3.2.2 Método de la línea corta En este método, la dovela se fabrica en una célula de prefabricación en la que el encofrado consta de los siguientes elementos: · · · · · Una dovela adyacente, denominada dovela conjugada, en la cara en contacto con la misma. Un encofrado fijo para la cara de junta opuesta. Una mesa regulable para el encofrado inferior. Encofrados laterales abatibles, que se adaptan a los demás encofrados. Un encofrado interior retráctil que se introduce a través de la máscara. La geometría que se requiere para cada dovela se consigue ubicando correctamente la dovela conjugada respecto de la máscara y adecuando el resto de encofrados a la geometría requerida. Para colocar en la posición adecuada la dovela conjugada y la que se hormigona, se sitúan sobre mesas de encofrado que con ayuda de unos gatos hidráulicos, permiten ubicarlas en la posición requerida. 20 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu El ritmo habitual de construcción de una dovela está en torno a una dovela por encofrado y día. Generalmente, los pasos a seguir en el proceso de prefabricación de una dovela es el siguiente: · · Recepción y prefabricación de ferralla. Se recoge la ferralla elaborada previamente en el parque de ferralla y con el puente grúa se traslada hasta los moldes de montaje. Ferrallado de dovela. Se realiza el ferrallado de la dovela, procurando ir a dos dovelas por delante del hormigonado de las dovelas. Ilustración 5. Colocación de la ferralla [2]. · · · Ubicación de puestos de observaciones topográficas. Este está formado por una torre con una plataforma y una escalera de acceso, donde tiene lugar la estación topográfica que realiza todas las medidas y comprobaciones que se consideren necesarias para garantizar la geometría de la dovela. Esta plataforma se encuentra a la cota superior de la dovela terminada, montada sobre el carro. De la plataforma sobresale un pedestal para poder apoyar el nivel. Colocación del encofrado interior. Se monta el encofrado plegado sobre el voladizo de la estructura auxiliar, se lanza a través de la máscara y se coloca. En el caso de las dovelas de apoyo en la pila, el encofrado interior se coloca directamente y no a través de la máscara. Colocación de la máscara. Se denomina máscara al encofrado fijo fabricado con chapa de gran espesor y arriostrado que marca la variación relativa entre las dos juntas de una dovela. La dovela adyacente anterior es denominada la conjugada. La máscara tiene por sección la sección transversal de la dovela, en forma de cajón, con un hueco para introducir a través del mismo el encofrado interior. La máscara debe estar inmóvil, fija, ya que es el sistema de referencia para la fabricación y control de las dovelas. En el caso de la dovela de arranque, se consigue variando la posición de la dovela conjugada, que sirve de encofrado de un frente, respecto del encofrado fijo del frente opuesto, adaptándose los encofrados laterales e interior entre ambos frentes. 21 Trabajo Fin de Grado · · · · · · María Luiza Nancu Nancu En el caso de la dovela central, al no tener dovela conjugada, se hace entre dos máscaras, una fija y otra móvil. Encofrados laterales y carros de fondo. Los carros de fondo se usan para posicionar la dovela conjugada en la posición relativa con respecto a la dovela a hormigonar y como encofrado inferior de la dovela que se va a hormigonar. Una vez situada la dovela conjugada respecto a la máscara, se ajustan los demás encofrados: el carro de fondo, los encofrados laterales y el encofrado interior; todos ellos debidamente sujetos durante el hormigonado. Dovela conjugada. Es la que se ha hormigonado previamente y la que servirá como encofrado anterior de la dovela a hormigonar. La dovela conjugada se sitúa relativamente respecto a la máscara. Hormigonado y vibrado. Una vez finalizada la colocación de las armaduras y antes de la puesta en obra del hormigón, se realiza la limpieza del fondo del encofrado. Posteriormente se hormigona por medio de una bomba. El vibrado del hormigón una vez vertido se realiza por medio de unos vibradores externos acoplados al propio encofrado, y vibradores de aguja. Para evitar el levantamiento de la dovela conjugada por flotación, esta se ancla al suelo. Curado al vapor. Con la intención de desencofrar la dovela al día siguiente, se requiere que el hormigón tenga al menos una resistencia determinada. Bajo temperaturas bajas, existe un retardo en el inicio del fraguado y por tanto no existe la garantía de que a las 12-14 horas tras el hormigonado se consiga dicha resistencia. En estos casos, se procede a realizar un curado de vapor. Retirada de la dovela conjugada. Tras el fraguado y desencofrado de la dovela, se desplaza la dovela conjugada con su carro de fondo a la zona de espera y la dovela recién fabricada pasa a ser la nueva dovela conjugada. Acopio de las dovelas. Las dovelas deben permanecer en el acopio un mínimo de 30 días para garantizar que se alcanza la resistencia requerida. Resulta más ordenado acopiar por filas todas las dovelas de un tramo. 5.1.3.3 Colocación de las Dovelas La colocación de las dovelas se puede realizar por varios procedimientos. En el caso de que se pueda acceder a la obra desde su parte inferior, el procedimiento adecuado es la colocación mediante grúas. Sin embargo, esta situación se da en escasas situaciones. La situación habitual es utilizar una viga de lanzamiento que consiste en una viga metálica con una longitud mayor que el vano más grande del puente. El sistema consiste en: · · · Una viga principal en celosía o atirantada cuyo cordón inferior actúa como puente grúa. Tres patas que pueden o no estar fijas a la viga principal. Las patas traseras y la central permiten que la dovela las atraviese por su interior. El carretón del que cuelga la dovela que puede trasladarse a lo largo del cordón inferior de la viga, descender o ascender la dovela y girar respecto a un eje vertical. 22 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Tras la colocación de la dovela de pila, se procede al montaje de las dovelas por avance en voladizo alternando dovela frontal y dovela dorsal. Las dovelas son recogidas en la cola de la cimbra y transportadas entre las celosías por el cabrestante hasta una zona próxima a su ubicación. Una vez allí, se procede a la aplicación de la resina epoxi al paramento de la dovela y se adosa al tablero construido, anclándola a la dovela anterior por medio de barras tras lo cual se postensan con el fin de que toda la junta tenga una presión suficiente para la unión de las dovelas y expulsión de la resina sobrante. A medida que se van montando las dovelas se va realizando el postensado definitivo. Las operaciones de colocación de las dovelas y la de tesado van desfasadas dos dovelas para evitar interferencias entre los equipos. Una vez terminado el montaje de cada tramo, se procede a la colocación de la dovela clave. 5.2 Construcción con Dovelas “In Situ” 5.2.1 Introducción Este procedimiento de construcción se inicia después de la Guerra Mundial con el objetivo de reconstruir la gran cantidad de puentes destruidos. Se considera que el rango óptimo desde el punto de vista económico se encuentra en una luz comprendida entre 125 y 175 metros. Esta técnica de construcción de puentes consiste en la ejecución de la estructura vertiendo hormigón fresco sobre un encofrado donde se alojan las armaduras tanto activas como pasivas. La construcción por avance en voladizo consiste en la ejecución de las pilas a ambos lados de la pila, de forma simétrica. La fabricación se realiza con la ayuda de los encofrados, que a su vez se apoyan en las dovelas anteriores mediante cimbras para garantizar la continuidad del puente. Hormigonando las dovelas sucesivamente sobre los carros, se va avanzando en forma de “T” desde las pilas hasta el centro del vano conectando con el voladizo anterior mediante la dovela clave. El inicio de todo el proceso se da con la construcción de la dovela situada encima de la pila o también denominada dovela “0” ó dovela de pila. Esta dovela se construye con un encofrado montado sobre la pila con longitud suficiente para que se puedan montar los carros de avance. A partir de esta primera dovela, las siguientes se construyen trasladando el encofrado mediante los carros que se apoyan en la parte construida. Se pueden enumerar las operaciones a seguir en el proceso constructivo de puentes por avance en voladizo: 1. Operaciones preliminares. · Ejecución de las dovelas de pila. · Montaje de los carros de avance. 2. Operaciones básicas de ciclo. · Avance del carro. · Colocación del encofrado exterior en sus coordenadas. · Avance y situación del encofrado interior en sus coordenadas. · Colocación de la ferralla de la sección y tapes frontales de solera. 23 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Situación de los tapes frontales de hastiales y losa de tablero. Comprobación y ajuste topográfico de coordenadas. Hormigonado de la dovela. Despegue del encofrado interior, desencofrado de tapes frontales y enfilado y tesado de cables del proceso constructivo de la dovela e inyección de las dovelas. · Curado del hormigón. 3. Operaciones posteriores: · Desmontaje de carros. · Transporte de los mismos hasta su nueva ubicación. · Ejecución de dovelas de cierre y de estribo. · Enfilado y tesado de cables de continuidad. · · · · 5.2.2 Operaciones Preliminares 5.2.2.1 Ejecución de la Dovela de Pila La ejecución se puede descomponer en tres etapas: · · · Etapa 1. Consiste en la construcción de la losa inferior de la sección. Contiene las siguientes operaciones: colocación de la plataforma de sustentación de los encofrados de la dovela de pila incluyendo el montaje del encofrado inferior de la losa, montaje de los encofrados laterales de los alzados de la losa, ferrallado de la losa y posterior hormigonado de la losa. Para todas estas operaciones se suele disponer de una grúa torre colocada a pie de pila. Etapa 2. En esta etapa se encuentran las operaciones de ejecución de los alzados laterales y las riostras transversales. Como en la etapa 1 se ha encofrado la parte exterior, en esta etapa se realizan las siguientes acciones: ferrallado de los tabiques y alzados laterales de la sección, encofrados interiores, hormigonado y retirada de los encofrados interiores. Etapa 3. Esta etapa consiste en la ejecución de la losa superior. Las operaciones son las siguientes: apeo interior de la losa superior, colocación del encofrado interior sobre el apeo, ferrallado de la losa y hormigonado, desencofrado y retirada del sistema de sustentación del encofrado. 5.2.3 Operaciones Básicas de Ciclo 5.2.3.1 Carro de Avance El carro de avance es el medio más común que se tiene para la construcción del puente por voladizos sucesivos. Es la zona de trabajo de los operarios, puede trasladar dovelas y colocarlas o trasladar los encofrados y hormigonarlas “in situ”. Los elementos del carro de avance son los siguientes: · Vigas metálicas principales. Son los elementos portantes que se encargan de soportar las solicitaciones transmitidas por los encofrados y transmitirlas al tablero, donde deben estar ancladas. 24 Trabajo Fin de Grado · · · · · · · · María Luiza Nancu Nancu Viga metálica transversal. Son dos vigas de celosía que se ubican transversalmente con respecto a las vigas principales proporcionando la capacidad portante al carro, capaz de soportar los esfuerzos y solicitaciones producidas por el hormigón y el peso propio de la estructura. Apoyos frontales. Están formados por las ruedas que permiten el desplazamiento de una dovela a otra, y un gato vertical sobre el que se apoya en la fase de hormigonado de la dovela, que permite nivelar el carro de avance antes de que comience el hormigonado. Anclaje trasero. El anclaje vertical permite evitar el vuelco que se podría producir por el peso del hormigón fresco. En el momento en el que el carro se comienza a desplazar, también existe la posibilidad de que se produzca vuelco si el centro de gravedad de todo el conjunto se encuentra por delante de las ruedas. En estas situaciones, la parte de atrás se debe anclar a la viga de rodadura con unas ruedas que hacen tope en el ala superior de la viga, la cual debe estar anclada al hormigón. Vigas de rodadura. Es la viga que utiliza el carro de avance para desplazarse de una dovela a otra. Cuando se ha pretensado la dovela recién terminada el carro de avance se apoya en el hormigón de la dovela por medio de los gatos de los que dispone, liberándose así de la viga de rodadura, la cual se puede desplazar hacia adelante para ocupar la nueva posición. Vigas y elementos que soportan el encofrado. Estos elementos forman un conjunto que garantiza el soporte de todos los encofrados utilizados para la ejecución de cada dovela: el exterior, el interior y la plataforma inferior. Las vigas encargadas de soportar se apoyan en la parte delantera en la dovela recién hormigonada. Pisos de trabajo. Son el espacio de trabajo de los operarios. Elementos auxiliares. Son los elementos que garantizan el correcto funcionamiento del carro. Como pueden ser: rodadura del encofrado interior, castillete para el apoyo del encofrado del voladizo en lanzamiento, equipo hidráulico, barras de cuelgue, anclajes, etc. Plataformas auxiliares. Sirve de soporte para los operarios que construyen la dovela. Tras el montaje de la dovela de pila, se incorpora el primer carro para la construcción de la dovela 1. Una vez finalizada el carro se desplaza para la construcción en voladizo de las dovelas sucesivas de dicho tramo. Así se libera la cabeza de pila para que pueda recibir al segundo carro que se ocupará de la construcción del tramo simétrico. Una vez se ha conseguido el montaje del carro, se deben hacer unas revisiones periódicas en el movimiento de los carros, sobretodo en dos momentos principales: 1. El movimiento de avance del carro. Durante el avance, el carro sufre las deformaciones y esfuerzos propios del movimiento en todos sus elementos, produciendo el desgaste de los mismos. Resulta importante ver que las placas de reparto están correctamente dispuestas sobre el hormigón y que estas mantengan la perpendicularidad con las barras de cosido. 25 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 2. El hormigonado. Esta es la fase en la cual el carro se encuentra sometido a los máximos esfuerzos. En esta fase se debe comprobar a su vez la estanqueidad de los encofrados y las plataformas de trabajo. Los equipos hidráulicos son los responsables de la realización de dos funciones diferenciadas: 1. Avance. Durante el avance del carro, el equipo se ve sometido a las solicitaciones producidas por el peso propio. Una vez que se ha montado el carro de avance y se ha anclado correctamente al tablero, se lanzan las vigas carril sobre la dovela hormigonada donde se deben anclar nuevamente. Posteriormente, se libera el carro de sus anclajes traseros y el mismo se va desplazando sobre las vigas hasta la siguiente posición de hormigonado y se vuelva a fijar al tablero. Durante este movimiento el carro recorre las vigas carril con los encofrados abiertos, apoyado en el conjunto de ruedas delanteras y sujeto por las traseras, impidiendo de esta manera que el centro de gravedad provoque el cabeceo. El encofrado interior se desplaza por medio de una viga carril que se encuentra situada bajo la losa superior del tablero, a la par del encofrado exterior. 2. Puesta en cota. En una primera fase, esta operación se realiza mediante equipos hidráulicos verticales, para luego utilizar la grúa torre para el último ajuste. Una vez que se ha desplazado el carro se procede a su posicionamiento. Para esta operación, primero se realiza su alineación en eje, que se ejecuta fijando el encofrado sobre la dovela anterior. Luego se procede a la corrección en planta y alzado de los puntos característicos. 5.2.3.2 Ejecución de las Dovelas A continuación se describen las operaciones para ejecutar una dovela con hormigonado “in situ”. · · · · Avance y fijación del carro. El ciclo comienza cuando el hormigón alcanza la resistencia necesaria para efectuar las operaciones de tesado. En ese momento se procede a hacer la separación del encofrado y al tesado de los cables de pretensado. Posteriormente, mediante el sistema hidráulico, avanza el carro junto a los encofrados interior y exterior. Tras el avance del carro, se anclan el encofrado inferior de la losa inferior y las alas de los encofrados laterales a la sección anteriormente ejecutada. A continuación se procede al posicionamiento del carro. Ferrallado de la losa inferior y de los hastiales de la sección. La ferralla de la sección se inicia montando la ferralla manualmente de la losa inferior sobre el encofrado inferior disponiendo de los separadores necesarios. Encofrado del resto de la sección. Tras finalizar el ferrallado de la losa inferior y de los hastiales de la sección, el encofrado interior se despliega y se sitúa en posición, sujetándolo en primer lugar a la zona delantera de la dovela anterior, tras lo cual se procede a referirlo al encofrado exterior de los hastiales. Ferrallado y colocación de vainas de la losa superior. En primer lugar se procede a la disposición de la armadura inferior de la losa superior con los correspondientes separadores. Las vainas de los cables de tesado se montan a continuación utilizando como referencia la ferralla colocada y sujetándolas a ella, para evitar la flotación con el hormigonado. El proceso de voladizos sucesivos precisa de dos 26 Trabajo Fin de Grado · · · · · · María Luiza Nancu Nancu grupos simétricos respecto al eje del tablero de cables horizontales. Conforme avanza el proceso de ejecución de dovelas, se van anclando cables por cada pareja de dovelas. Tras la colocación de las vainas de tesado del proceso constructivo, se coloca la ferralla superior de la losa superior. Nivelación definitiva del carro. Previo al hormigonado se debe realizar una comprobación topográfica de la cota. Hormigonado de la dovela. Durante el proceso de hormigonado, el carro de avance permanece sustentado por gatos verticales situados bajo el pilar delantero y anclado al tablero en su parte posterior mediante barras y yugos. A medida que las dovelas van reduciendo el canto, la parte saliente del encofrado exterior aumenta respecto de la solera, lo cual obliga a desmontar los paneles sobrantes. Por otro lado, el encofrado interior se debe cortar para adaptarlo a la disminución de cota en el interior de las dovelas. El hormigonado comienza en primer lugar con la ejecución de la losa inferior de la sección transversal. En segundo lugar se hormigonan los hastiales de la sección lentamente y por tongadas de 0.5 metros para evitar el sifonamiento del hormigón de la losa inferior. Para finalizar, se hormigona la losa superior comenzando por el extremo libre y llevando el hormigonado hasta la dovela anterior. Desencofrado de las dovelas. Al día siguiente tras el hormigonado se procede al desencofrado lateral. Curado del hormigón. Las superficies expuestas del hormigón, como son la losa inferior y la losa superior, deben curarse para evitar la fisuración del hormigón debido a un control malo de la retracción. Enfilado y tesado de los cables. Hay algunas empresas que indican: el orden de tesado, las fuerzas de tesado y las presiones equivalentes según los equipos utilizados, así como los alargamientos teóricos previstos. Inyección de las vainas. Las vainas se inyectan de lechada una vez que los cables se han tesado. La inyección se introduce dentro de la vaina con las bombas de inyección. 5.2.4 Operaciones Posteriores 5.2.4.1 Desmontaje del Carro de Avance El desmontaje de los carros se lleva a cabo cuando se ejecutan las últimas dos dovelas de los tramos en voladizo dispuestos a unirse mediante la dovela de cierre. El proceso de desmontaje es el inverso del montaje. Los carros que están situados en los estribos se desmontan con la ayuda de grúas móviles, mientras los que se encuentran en el centro del tablero se desplazan hacia la pila desde la cual partieron y posteriormente se desmontan. 5.2.4.2 Dovela de Cierre La dovela de cierre es la encargada de unir los dos tramos que se han ido construyendo por voladizos sucesivos, marcando el paso de los tramos que trabajan como voladizos, a un único vano que trabaja como una viga sustentada en dos apoyos. 27 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Para ejecutar la dovela de cierre, se inmovilizan los dos semivanos con vigas metálicas y se utiliza la plataforma inferior de uno de los carros como superficie de trabajo. Los encofrados exteriores se desmontan al igual que el interior del carro, para sustituirlos por encofrados hecho “in situ” pero más ligeros. 5.2.4.3 Tesado de Cierre Para finalizar el tablero se realiza el tesado de continuidad, produciéndose de esta manera la unión de los dos voladizos contiguos y convirtiéndolos en una viga continua preparada para absorber las cargas de uso. Dentro de la zona hueca del tablero se introducen los equipos de enhebrado y tesado y se procede a enfilar los cables para tesar los cables de continuidad posteriormente. Para introducir los cables se utilizan los agujeros que se han dejado en la losa superior para dicho propósito. Las vainas de los cables de continuidad se inyectan también desde la losa superior del tablero. Se deben tapar los agujeros que se dejan para el anclaje del carro de avance, así como la instalación de juntas de dilatación si están proyectadas sobre el tablero. 5.3 Comparativa entre la Construcción con Dovelas Prefabricadas y las Dovelas Hormigonadas “In Situ” 5.3.1 Introducción En el siguiente apartado se realizará una comparación entre los dos sistemas constructivos desde distintos puntos, como pueden ser: dimensionamiento, control geométrico, plazos, flechas, relación de dimensionamiento a partir de la luz principal. 5.3.2 Dimensionamiento 5.3.2.1 Carro de Avance VS. Viga de Lanzamiento Los carros de avance se utilizan cuando el sistema constructivo es mediante dovelas hormigonadas “in situ” y la viga de lanzamiento se utiliza en el caso de que el puente se construya con dovelas prefabricadas. Las reacciones de la viga de lanzamiento dependen de su respectiva potencia. Mientras que la reacción vertical que produce el peso de los carros de avance depende del tipo de carro que se utilice, la luz, el ancho, etc. 5.3.2.2 Tensiones en el Estado Límite de Servicio En el caso de dovelas prefabricadas, entre las juntas no hay armadura. Por tanto, los criterios de tensiones son más limitativos para el caso de dovelas prefabricadas. Como las tensiones en el Estado Límite de Servicio son las que marcan el dimensionamiento del pretensado, los puentes de dovelas prefabricadas necesitarán un pretensado mayor que los puentes con dovelas “in situ” debido a las condiciones más estrictas que deben cumplir. Debido a que no existe armadura pasante en el caso de dovelas prefabricadas, existen otras diferencias: 28 Trabajo Fin de Grado · · María Luiza Nancu Nancu La armadura longitudinal de torsión no puede existir en las juntas y por tanto hay que dimensionar la armadura de pretensado para que absorba las tracciones longitudinales que la torsión produce en las aristas. Para el diseño a cortante es necesario diseñar unas llaves en las dovelas prefabricadas, que puedan absorber dicho esfuerzo. 5.3.3 Control Geométrico Tanto en un método como en otro es preciso realizar un control geométrico correcto en el momento de ejecución de la dovela de cierre donde se requiere la máxima precisión de cotas. Sin embargo, la manera de realizar el control geométrico es diferente en una situación que en otra. Para los puentes que se construyen por el método de voladizos sucesivos resulta muy importante el control de flechas que presenta el puente a lo largo de su proceso constructivo. Cuando se usa el carro de avance para el hormigonado “in situ”, resulta necesario determinar las siguientes flechas: · · · Flecha producida por el movimiento del carro de una posición a la siguiente. Flecha debida al hormigonado de la dovela. Flecha producida por el pretensado de la dovela. Estas flechas junto a la flecha que se produce en el carro para soportar el momento al que está solicitado por el hormigón a un ciclo completo, corresponden a las flechas de un ciclo completo. Estos son los datos necesarios para determinar la ubicación del carro de avance al comienzo del siguiente ciclo. Para el método de construcción mediante dovelas prefabricadas y las hormigonadas “in situ” es necesario realizar un control en temperatura puesto que esta puede producir desviaciones geométricas que hagan que las cotas no encajen en el cierre. Así mismo es preciso un control de la variación de temperatura a lo largo del día puesto que esto tiene influencia en las flechas que presenta el tablero en un día. También es necesario el control de las variaciones propias de flexión y la retracción en el proceso de avance. Estas variaciones dependen del proceso constructivo. En el caso de las dovelas prefabricadas, el efecto de la retracción es menor que en los puentes hormigonados “in situ” debido a que la edad de puesta en carga es mayor en las prefabricadas que en las otras dovelas. 5.3.3.1 Voladizos con Dovelas “In Situ” En el caso de los puentes realizados mediante voladizos sucesivos con hormigonado “in situ”, el control se centra en el alzado. Para ello se deben haber calculado las flechas producidas por el peso propio, el pretensado y el avance del carro. Es menester tener en cuenta que las dovelas tendrán diferentes edades y por tanto, distintos módulos de elasticidad los cuales no se pueden determinar con exactitud en cada momento debido a la variación que tienen con el tiempo, lo cual es difícil de predecir. Por otro lado, los valores efectivos de las fuerzas de pretensado son difícil de conocer con exactitud. Los valores calculados en el proyecto no coincidirán con los valores de las flechas que se obtienen en la construcción. Es posible introducir factores de corrección de los valores de los 29 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu módulos de elasticidad y las fuerzas de pretensado medidos en la construcción de manera que se pueda ajustar el modelo teórico y a partir de ahí, afinar el posicionamiento en contraflecha de los carros. Se recomienda controlar las rotaciones del extremo superior de la pila debidas a cargas no simétricas. Los datos se toman con cada dovela hormigonada y la siguiente cuando los voladizos no se encuentran equilibrados y existe un momento de vuelco que va aumentando según avanza la construcción. Este momento de vuelco supone un giro en el extremo superior de la pila y una determinada flecha en el extremo del voladizo. Los errores corregidos entre el modelo y los valores reales van corrigiendo el posicionamiento de los carros para hormigonar las dovelas sucesivas. El modelo debe ser ajustado antes de la última dovela puesto que si no, el error no podría ser enmendado. 5.3.3.2 Voladizos con Dovelas Prefabricadas En el caso de las dovelas prefabricadas, también existen errores en cuanto a la estimación del módulo de elasticidad. Sin embargo, no existe la posibilidad de rectificación contrastando con las flechas reales. Un inconveniente mayor puede surgir cuando se presenta un error en el control y precisión de las medidas puesto que estos errores no se ven hasta que no se colocan las dovelas. A diferencia de los puentes de carros de avance, el voladizo de los puentes de dovelas prefabricadas se apoya entero durante la construcción sobre gatos que posibilitan el movimiento de todo el voladizo, tanto en planta como en alzado, de manera que queden sus extremos exactamente posicionados para el cierre de vanos. 5.3.4 Relación Sistema Constructivo y la Luz Principal del Puente De acuerdo con Percivati y Colombo [14] en 2006, las luces utilizadas para la construcción de voladizos sucesivos tanto “in situ” como prefabricados están comprendidas entre 110 y 200 metros. En cambio, en 1995, para Pérez y Herrero [15] el rango de luces para puentes con dovelas hormigonadas “in situ” es de 125 a 175 metros mientras que para dovelas prefabricadas el rango es de 60 a 130 metros. 5.3.5 Tiempos de Fabricación y Montaje La diferencia más importante entre las dovelas prefabricadas y las hormigonadas “in situ” es que en las dovelas prefabricadas se separa el proceso de fabricación de dovelas de la ejecución del puente. De esta manera, al mismo tiempo que se van fabricando las dovelas, se pueden ir construyendo los estribos y las pilas. Por lo general se observa que la construcción de puentes con dovelas prefabricadas tarda del orden de la mitad de lo que se tarda con las dovelas construidas “in situ”. Este hecho tiene repercusiones económicas puesto que supone un ahorro de temporal y monetario. 30 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 5.4 Construcción de Viaductos Vano a Vano por Dovelas Prefabricadas. FCC, Construcción S.A. 5.4.1 Introducción FCC, Construcción [16] ha proyectado y desarrollado un sistema para la construcción de viaductos con dovelas prefabricadas con vanos isostáticos y pretensado exterior, que representa la primera utilización de este sistema en España. 5.4.2 Tipología Estructural El tablero está constituido por vanos isostáticos de unos 45 metros de luz. La sección transversal es una viga en cajón de canto 3 metros y un ancho en la calzada de 13.34 metros, mientras que el ancho de la losa inferior es de 4 metros. Las almas tienen una inclinación de 33º. La losa superior tiene un canto de 24 cm y la inferior de 20 cm. Las almas tienen un espesor de 30 cm debido a que el pretensado va por la zona exterior. Cada vano está compuesto de 16 dovelas con 3 tipos de geometría diferentes: · · · Dovela tipo de 2.94 metros de longitud. 2 dovelas extremas de 1.87 metros, que incorporan la riostra sobre la pila. Esta riostra sirve para el anclaje de los tendones de pretensado. Las dovelas intermedias con la misma longitud que la dovela tipo pero que incorporan los desviadores de los tendones de pretensado situándolos en un nervio de 55 cm de altura que se sitúa en la losa inferior. El peso de una dovela es de 48 T. Los tendones de pretensado está formados por unidades de 31 ó 24 cordones de 0.6” con doble protección que van dentro de una vaina de polietileno de alta densidad e inyección con lechada de cemento. Los desviadores que se utilizan en las dovelas intermedias son de tipo diábolo que simplifican el replanteo de la variación del trazado de los tendones ya que no es necesario cambiar su posición al variar el trazado de los tendones cuando cambia la curvatura del tablero. La unión entre dovelas se realiza mediante junta seca ya que permite un mejor ritmo de montaje. Se evitan además problemas que se ocasionarían si fuesen juntas rellenas de resina epoxi, como son la necesidad de pretensado de montaje (para conseguir la presión necesaria para que funcione la resina), la posible disminución del coeficiente de rozamiento en la junta en servicio y la dependencia climatológica en el montaje. Como no es necesaria la resina epoxi puesto que el pretensado es exterior, para que el agua no afecte a la armadura activa, se realiza una junta estanca entre dovelas en la losa superior de la calzada. Se han tenido en cuenta los siguientes condicionantes en el diseño y construcción: · Hormigonado de las dovelas mediante el sistema de dovelas conjugadas con el fin de conseguir un perfecto contacto entre dovelas en el montaje. 31 Trabajo Fin de Grado · · María Luiza Nancu Nancu Utilización de llaves múltiples en las juntas entre dovelas para conseguir la transmisión de esfuerzo cortante en las almas y los originados por las cargas de tráfico en la losa superior. La condición de que quede comprimida cualquier sección para la sobrecarga característica y el pretensado ponderado. Esto implica que las juntas no se abran bajo ningún estado de carga previsible. También la reducción en el cálculo de la capacidad de transmisión de esfuerzos del hormigón en juntas, al no utilizar resina. 5.4.3 Fabricación y Transporte de Dovelas La fabricación se hace con el método de la dovela conjugada, en la que cada dovela se utiliza como encofrado de la cara que estará en contacto con la dovela adyacente. De esta manera se consigue que ambas caras de las dovelas coincidan, lo que permite utilizar la junta seca sin necesidad de interponer ningún elemento entre ambas dovelas. El encofrado de las dovelas consiste en: · · · · · La dovela conjugada para la cara correspondiente a la junta común a ambas dovelas. La máscara que es un encofrado metálico fijo que corresponde a la junta opuesta. Un encofrado inferior colocado sobre una mesa provista de gatos que permiten la orientación del encofrado en cualquier posición. Los encofrados laterales que van fijos al suelo y se mueven con ayuda de gatos hidráulicos. Un encofrado interior que se repliega cuando se va a desencofrar y va montado sobre la estructura que rueda sobre vías que permite sacarlo de la célula de prefabricación. La geometría de la dovela que se pretende construir se consigue variando la posición de la dovela conjugada, que sirve de encofrado de un frente respecto del encofrado fijo del frente opuesto, adaptándose los encofrados laterales e interior entre ambos. El montaje del acero pasivo se realiza sobre premoldes que reproducen la forma exterior de la dovela. La máscara es el encofrado anterior de la dovela. Tiene la forma de la sección transversal de la dovela con un hueco por el que se introduce el encofrado interior. Los carros de fondo se usan para posicionar la dovela conjugada y como encofrado de fondo de la dovela que se va a hormigonar. La fórmula de trabajo utilizada respecto al hormigón es la siguiente: · · · Resistencia del hormigón a 12 horas de 150 kg/cm 2 para poder desencofrar al día siguiente. Resistencia característica a los 28 días de 400 kg/cm 2. Tamaño máximo del árido es de 20 mm debido a la disposición de la ferralla en algunas zonas. El ciclo de producción de las dovelas es de una por molde y por día, habiéndose obtenido rendimientos medios de 180 metros lineales al mes. 32 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 5.4.4 Montaje de las Dovelas El montaje se realiza mediante una viga de lanzamiento que discurre por encima de la superficie del tablero. Esta consiste en dos vigas metálicas de longitud la del mayor vano. Las vigas arriostradas entre sí se mueven conjuntamente. Sobre ellas se sitúa un cabrestante que tiene como misión elevar, trasladar y colocar las dovelas y una vez anclado, lanzar la propia estructura. La viga se apoya sobre el tablero construido y sobre la pila frontal del nuevo tablero que se va a construir mediante una pata articulada. En el tablero se apoya sobre dos estructuras a través de gatos y sobre una pata articulada trasera que se utiliza en los lanzamientos. El peso total de la cimbra es de unos 450 T, teniendo una capacidad de cargar con un total de 810 T y una capacidad de elevación del cabrestante de 70 T. Las dovelas se incorporan a la viga de lanzamiento por encima del tablero con un carro elefante auxiliar de 70 T de capacidad de carga que descarga la góndola y lleva la dovela hasta la cola de la viga, donde la toma el cabrestante y la transporta hasta su posición definitiva. El sistema constructivo es vano a vano, lo que quiere decir que se colocan todas las dovelas de un vano en su posición definitiva, conformando el sólido rígido. El ciclo de montaje es el siguiente: · · · · · · · · · Lanzamiento y posicionamiento de la viga de lanzamiento. Posicionamiento de gatos de apoyo provisional. Carga de las dovelas 16 a 5 en la cimbra. Colocación, nivelación y orientación de la dovela 1. Presentación y atado de las dovelas 2 a 16. Montaje de vainas de polietileno, enfilado y tesado de cables. Descimbrado. Comprobación y corrección de la posición del tablero mediante gatos, sobre los que apoya el tablero. Hormigonado de los morteros de apoyo y retirada de gatos, apoyando el tablero sobre los neoprenos definitivos. 33 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 6. Montaje de las dovelas según FCC, Construcción S.A [16]. El montaje de las dovelas se realiza en dos fases: en la primera fase se cargan doce dovelas en orden inverso en su posición aproximada, para conseguir la deformación de la viga de lanzamiento. En la segunda fase, se colocan las dovelas en su posición final y se unen entre ellas provisionalmente con barras roscadas. Se coloca la dovela 1 fija situada sobre la pila dorsal al tablero anterior y dejándola colgada de la cimbre mediante barras roscadas. A continuación se van colocando las siguientes dovelas colgadas de la cimbre y se fijan al resto del tablero mediante barras pretensadas. Una vez completado el montaje del tablero se instalan las vainas de polietileno del pretensado exterior y se tesa. Posteriormente se descimbra el tablero y se sitúa en la posición correcta hormigonándose los apoyos definitivos. El rendimiento de montaje es de dos vanos por semana. 34 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6. CONSTRUCCIÓN DE PILAS Y APOYOS 6.1 Pilas Las pilas y los estribos tienen la función de de soporte del tablero. Con respecto a las pilas, existe una tipología muy variada. Solo en los puentes de mucha altura, el diseño de las pilas se ve influenciado por el fenómeno de inestabilidad de pandeo, los efectos del viento y el sismo, debido a que la esbeltez es mayor. La pila se define como la conexión que existe entre el tablero del puente y el terreno a través de la cimentación, en cuestión de transmisión de cargas y movimientos. Las pilas asumen cargas verticales que les son transmitidas desde el dintel, como son: peso propio, carga muerta, sobrecarga. Por otro lado, también recibe cargas horizontales como son: viento, deformaciones impuestas, sismo, etc. Bajo los esfuerzos que se producen en dirección horizontal, las pilas se comportan como ménsulas empotradas en la cimentación. Por tanto, la altura de las pilas influye en la magnitud de estos esfuerzos. 6.1.1 Morfología de las Pilas El diseño de la pila y el dintel están estrechamente relacionados tanto desde el punto de vista resistente como del punto de vista de la forma. Esto es de esta manera debido a que la rigidez de la pila constituye las condiciones de contorno del dintel y la forma del dintel constituye la manera en la que la pila es solicitada. La segunda variable que influye es la altura de la pila debido a que, como se ha explicado anteriormente, los esfuerzos obtenidos a partir de las cargas horizontales dependen de la altura de la pila. · Pilas de poca altura. Corresponden normalmente a los pasos superiores de carreteras, autovías, etc. Se denominan pilas de poca altura aquellas cuya altura se encuentra comprendida entre 10 a 15 metros. En este caso la morfología del dintel que mejor se ajusta es un tablero de vigas. o Tablero de vigas. Las vigas que constituyen el tablero deben estar biapoyadas. Lo habitual es utilizar una viga cabezal, situada encima de las pilas que recoja la reacción de cada una de las vigas, sin tener que disponer de muchas pilas. o Tableros losa. De cara al diseño de las pilas, lo que diferencia al tablero hormigonado “in situ” del tablero de vigas prefabricadas es la rigidez transversal que presenta el tablero en la zona de apoyo. El aligeramiento de los tableros losa desaparece en la zona de las pilas y los estribos debido a que de esta manera constituyen vigas transversales de resistencia considerable que reparten entre las pilas las cargas conducidas por las almas longitudinales. La utilización de pilas cilíndricas ha sido muy frecuente en el caso de pasos superiores de no mucha altura. El empotramiento entre pilares y dintel elimina el sobreancho en cabeza de la pila debido a que el efecto debido a la excentricidad de la sobrecarga es resistido por flexión con armadura pasante, que cose las tracciones de borde. 35 Trabajo Fin de Grado · María Luiza Nancu Nancu Pilas de gran altura. La altura acentúa dos tipos de efectos: los producidos por las cargas horizontales, viento, sismo, frenado, etc. Y los correspondientes a la inestabilidad elástica o plástica, el pandeo en general. Por otro lado reduce el efecto producido por las deformaciones impuestas. La sección transversal de una ménsula cargada es la sección cajón debido a su gran radio de giro. Es la sección que mejor resiste los esfuerzos de flexión debido a la excentricidad de la sobrecarga. La dirección transversal al puente se considera la más desfavorable debido a que las cargas de vientos son mayores en esa dirección. Generalmente, los apoyos que se colocan sobre las pilas de gran altura son deslizantes y de giro en dirección longitudinal al eje del puente y están coaccionados en la dirección transversal, lo que asegura que el desplazamiento transversal de la pila y el dintel son iguales. El comportamiento en el sentido longitudinal al puente responde en gran medida a las deformaciones ocasionadas por las deformaciones impuestas por fluencia, retracción y diferencia de temperaturas. Para hacer frente a estas deformaciones es preciso contar con pilas poco rígidas en esta dirección. Se puede incluso conseguir un empotramiento entre pila y dintel en las pilas de gran altura. En cambio, el empotramiento no se puede conseguir en las pilas cercanas a los estribos, puesto que son menores y los esfuerzos longitudinales producidos por las deformaciones impuestas serían inaceptables. El dimensionamiento lógico de una pila alta debe tener gran rigidez en el sentido transversal al puente y pequeña rigidez en el sentido longitudinal siempre dimensionando para que no aparezcan fenómenos de inestabilidad. Tipos de pilas: o Pila rectangular en sección cajón con paredes delgadas. Se trata de la pila más clásica y es la que se utiliza en los viaductos de gran altura debido a que tiene gran rigidez a flexión, gran rigidez a torsión y buen radio de giro en las dos direcciones. Las dimensiones de la pila se pueden variar con la reducción de esfuerzos. o Sección de pila en doble “T”. Realiza mejor que la sección cajón la reducción de la rigidez longitudinal de la pila mientras que mantiene la rigidez transversal. Se utiliza mucho en puentes de altura media. o Pilas circulares. Se utilizan menos puesto que pierden características resistentes debido a su menor inercia a pesar de tener menor coeficiente de rozamiento frente a arrastre por el viento que las rectangulares. o Pilas elipsoidales. Son pilas que potencian la dirección transversal sobre la longitudinal. 36 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.1.2 Pilas Prefabricadas La prefabricación de las pilas no es muy habitual aunque es una opción que se valora cuando premia la velocidad de ejecución. La única dificultad es la resolución de la unión de los pilares con el dintel y las cimentaciones. La unión de la pila con la cimentación se realiza de la siguiente manera: se deja una vaina embutida en la cimentación y en la viga cabezal en aquellas zonas donde vaya a penetrar la armadura de la pila. La armadura se encuentra saliente y se introduce en la cimentación después de rellenar con mortero sin retracción los orificios dejados al efecto en el cimiento. La pila se nivela con un punto fijo en su base y se mantiene con puntales en vertical mientras fragua el mortero relleno. En el caso de las pilas altas, la prefabricación puede realizarse por dovelas, las cuales se unen por barras de pretensado. El fuste de las pilas se fabrica normalmente in situ, mientras que la viga cabezal tiende a prefabricarse. 6.2 Apoyos Los aparatos de apoyo tienen la función de controlar las deformaciones que el dintel transmite a la pila y viceversa. De esta manera se pueden eliminar si así interesa, determinados esfuerzos que provienen de la compatibilidad de las deformaciones entre los distintos elementos. Otra función de los aparatos de apoyo se manifiesta cuando se trata con las deformaciones impuestas por las variaciones de temperatura, la fluencia y la retracción. Bajo estas solicitaciones, el dintel sufre grandes deformaciones. Dependiendo del tipo de unión que exista entre la pila y el dintel, estas deformaciones actuarán de una manera o de otra. Cuando la unión es equivalente a un empotramiento, las pilas y los estribos se verán arrastrados por las deformaciones del dintel produciendo unos esfuerzos que serán más desfavorables cuanto mayor sea la rigidez del dintel y las pilas. Además, el cortante que aparece en las pilas y los estribos se manifiesta como una tracción que no favorece al dintel. Si, en cambio, la unión permite el giro y el deslizamiento, los esfuerzos desfavorables debidos a la variación de temperatura, fluencia y retracción se desvanezcan. Con referencia a los elementos de apoyo se actúa sobre el tipo de apoyo deslizante y de giro con la intención de que a la vez minimice el efecto de las deformaciones impuestas y haga frente a las acciones que se deben resistir. Estas acciones son el viento, el frenado, la fuerza centrífuga, las corrientes de agua si es un puente que salva un río. Los apoyos son de distintas clases en función del tipo de vinculación se pretenda conseguir entre el dintel y la pila o el dintel y el estribo. Los más utilizados son los siguientes: · Articulación de hormigón. Fue utilizado por vez primera por Freyssinet en 1923. Se basa en la realización de de una entalladura profunda en el hormigón que lo plastifica 37 Trabajo Fin de Grado · María Luiza Nancu Nancu cuando se encuentra sometido a grandes compresiones, lo que permite tener cierta capacidad de giro que suele ser inferior a 1%. Este tipo de apoyo resiste cargas altas y son útiles para elementos que giran poco, como ocurre en el caso de puentes arco y pórtico. No es habitual usarlo en puentes rectos. Al ser la articulación producida por la plastificación del hormigón, este tipo de apoyo no necesita mantenimiento. Apoyos elastoméricos. Están formados por placas de elastómeros asociados a un conjunto de placas de acero por medio de adhesivos. Las placas de elastómero pueden ser de caucho natural o sintético (neopreno). El caucho natural se obtiene por desecación del látex. Los cauchos sintéticos son derivados del petróleo. Una característica física de la goma es que es resistente al envejecimiento por oxidación acelerada ante la luz y la intemperie. Los apoyos elastoméricos pueden admitir esfuerzos de compresión, momentos flectores, esfuerzos cortantes y torsores. El dimensionamiento de los apoyos dependerá de las tensiones tangenciales que se producen bajo la acción de cada uno de los tipos de esfuerzos que los solicitan. La deformabilidad del apoyo completo se obtiene a partir de la suma de la correspondiente a cada una de las capas de elastómero que constituyen el apoyo. · · · · Apoyos de neopreno en caja fija. Se utilizan en caso de que se transmitan altas cargas acompañadas de de giros importantes. Se utiliza una caja de acero dentro de la cual se dispone neopreno sin zunchado interior. Al estar el neopreno confinado, la deformación vertical será pequeña. Por tanto, el neopreno se comporta como un fluido viscoso al estar sometido a presiones muy altas, lo que hace que la presión sobre el hormigón sea aproximadamente uniforme. Apoyos de neopreno-teflón. El teflón es un politetrafluoretileno (PTFE) de muy bajo coeficiente de rozamiento para cargas estáticas y dinámicas. Tiene una baja resistencia a compresión, alta expansión térmica y muy baja conductividad. El teflón se utiliza para apoyos deslizantes y para rótulas. Los apoyos de neopreno-teflón pueden ser de dos tipos: o Utilizando para soporte del teflón y como rótula, un apoyo de neopreno zunchado. Se utiliza en el caso de cargas no muy elevadas y con grandes desplazamientos los cuales comienzan por la deformación tangencial del neopreno y continúan con el deslizamiento del teflón cuando la carga horizontal alcanza el valor del coeficiente de rozamiento acero inoxidable – teflón. o Para el caso de cargas muy elevadas y grandes deslizamientos. El teflón se coloca encima de la tapa metálica del neopreno y bajo una segunda tapa sujeta al hormigón del dintel y que en su parte inferior se coloca la chapa de acero inoxidable. Casquetes esféricos. Este apoyo permite el deslizamiento y el giro del apoyo. La ventaja que presenta es que no se ve afectado por las temperaturas muy bajas. Rodillos. 38 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7. CONSTRUCCIÓN DE ESTRIBOS 7.1 Introducción La misión de los estribos es la de funcionar como apoyo extremo del tablero permitiendo a través de los apoyos las deformaciones axiles debidas a la temperatura, fluencia y retracción y las correspondientes acciones de la estructura. Por otro lado, el estribo constituye una estructura de contención que debe soportar el empuje del terreno que constituye el terraplén de acceso y controla el derrame de tierras delante y a los lados del estribo. Para evitar el derrame frontal se encarga el propio estribo y para los derrames laterales se encargan las aletas. El material de los estribos es normalmente hormigón armado aunque en algunos casos se recurre al pretensado para evitar el efecto de esfuerzos importantes. 7.2 Tipos de Estribos 7.2.1 Estribos Cerrados Consiste en un muro frontal, el propio estribo, las aletas con o sin muro lateral, el murete de guarda y la losa de transición. El muro frontal recibe la carga del dintel a través de los apoyos que son los que permiten los movimientos del dintel de forma independiente a los movimientos del terreno. El diseño de la parte superior del estribo viene condicionado por el tipo de dintel, el tipo de carga que le llega y los movimientos del dintel. El diseño de la parte inferior viene condicionado por las acciones del dintel y el empuje de tierras. En cualquier tipo de estribo, la parte que está en contacto con el terreno debe estar impermeabilizada y estar dotada de material drenante para evitar efectos de la presión hidrostática. Los asientos que se producen a lo largo del tiempo en el terraplén de acceso son más importantes que los producidos en el muro. Por tanto, el resalto que se produciría en la unión de ambos elementos se evita en los puentes de carretera mediante la losa de transición. El tamaño de la losa dependerá de la magnitud de los asientos entre el muro y el terraplén. En general, las losas de 4 ó 5 metros suelen ser suficientes. En el caso de puentes ferroviarios, esta variación de asiento se evita mediante la transición que se puede realizar con un bloque técnico. Este bloque técnico está constituido por un conjunto de cuñas de materiales cada vez menos deformables, cuanto más cerca estén del muro de contención. 7.2.2 Estribos abiertos El objetivo del estribo abierto es la eliminación, o por lo menos la reducción, del empuje horizontal de las tierras sobre el estribo cuando este se coloca sobre un terraplén. Para poder conseguirlo, se realiza la transición entre la viga cabezal que soporta el dintel y el suelo de cimentación a través de diafragmas, pilotes, etc. que permiten el paso de las tierras. 39 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu El empuje del terreno se encuentra presente sobre la viga cabezal, las aletas y los elementos de conexión con la cimentación. Además, existen fuerzas horizontales fruto de las acciones y deformaciones del dintel. Los efectos de estas acciones deben ser transmitidos a la cimentación. Los diafragmas se suelen colocar con la intención de minimizar los esfuerzos en la viga cabezal que se consigue disponiendo los diafragmas bajos los apoyos del dintel. Estos diafragmas suelen ser: tabiques verticales de canto variable, generalmente uno bajo cada apoyo, que se une con la zapata de cimentación. 7.3 Aletas Como se ha expuesto previamente, el control del derrame lateral se realiza por las aletas. Dependiendo del tipo de terraplén que se tenga, la geometría de las aletas será diferente, de tal manera que en cada situación puedan trabajar de forma eficiente. Puede darse la situación de que las aletas trabajen como una ménsula vertical para soportar su propio peso y una ménsula horizontal para resistir el empuje horizontal del terreno, siendo este el más importante. Otra situación puede ser aquella en la que las aletas estén de forma transversal al tablero. En este caso, el estribo está sometido a flexión vertical en su plano y a flexión horizontal. Otra opción de conseguir el mismo efecto es curvar las aletas hacia atrás, es decir, hacia el terreno. En el caso de que la altura del estribo sea de tal manera que las aletas resulten demasiado grandes o estén excesivamente solicitadas a flexión en el eje vertical, se pueden cimentar. En esta situación, las aletas se convierten en muros laterales puesto que resulta muy costoso establecer una ménsula de proporciones muy grandes. 7.4 Muros Laterales Cuando la altura del estribo es muy grande se suele proceder de dos maneras: La primera consiste en aliviar la flexión del eje vertical y horizontal disponiendo muros de contrafuertes tanto en el propio estribo como en los muros laterales. Suele resultar una solución bastante cara por lo que antes se puede ampliar la longitud del tablero si con esto se reduce considerablemente la altura del estribo. La segunda manera, siendo alternativa a la primera, consiste en realizar un estribo hueco, sin empuje de tierras, cuyas paredes se van adaptando a la topografía del terreno. De esta manera, el tráfico induce cargas sobre este cajón, que a su vez no solicita demasiado al cimiento y el empuje de tierras es prácticamente inexistente. 7.5 Estribos Prefabricados La sustitución de los muros hormigonados “in situ” se ha ido sustituyendo con la finalidad de facilitar la ejecución y acortar los plazos. Existe una gran variedad de muros prefabricados, teniendo todos ellos secciones aligeradas con nervios con la finalidad de disminuir el peso para el transporte y la colocación, 40 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu El método de unión con el cimiento y el estribo es el siguiente. El muro nervado dispone de una terminación inferior en puntos localizados que permiten nivelar el muro y hormigonar una zapata inferior. Esta zapata, que estabiliza el muro, se conecta con este a través de armaduras que salen de la pieza prefabricada. Para el caso de estribos es mejor realizar una cimentación continua. 7.6 Estribos de Tierra Armada Estos estribos son muy adecuados cuando el terraplén está constituido por un terreno muy deformable, puesto que estos muros se pueden acoplar a tales movimientos. La tierra se encuentra armada por la malla que se dispone en el terreno. Esta malla actúa como un refuerzo del terreno deformable debido al rozamiento que se produce entre el terreno y la armadura. 7.7 Estribos Anclados El estribo está sometido a cargas horizontales que provienen del dintel, el frenado y las resultantes de las deformaciones impuestas de temperatura, fluencia y retracción; y las provenientes del empuje horizontal del terreno, siendo habitualmente el empuje más importante de las tierras. 7.7.1 Tipos de Anclajes El anclaje en cabeza tiene poca eficiencia puesto que la única capacidad de resistir fuerzas horizontales es el rozamiento que se produce entre la losa y el suelo, y como la carga vertical es pequeña, la superficie necesaria de la losa debe ser muy grande para resistir las acciones del dintel. Por otro lado, disponer de una losa muy grande implica tener que controlar la fisuración para proteger la armadura. Un procedimiento muy frecuente es la utilización de anclajes pretensados con la inyección de un bulbo en un estrato del terreno que garantice la estabilidad del muro y controlar la flexión del mismo. 41 Parte 2 Metodología para el Análisis y Dimensionamiento de Puentes Construidos Evolutivamente 42 43 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu ÍNDICE DE CONTENIDO PARTE 2 1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 47 2. DATOS DEL PROYECTO .................................................................................................... 47 3. PREDIMENSIONAMIENTO ................................................................................................ 49 3.1 Introducción .................................................................................................................. 49 3.2 Características Geométricas de la Sección ..................................................................... 49 3.3 Predimensionamiento de la Sección del Tablero ............................................................ 51 3.4 Predimensionamiento de la Sección de la Pila ............................................................... 57 4. PRETENSADO ..................................................................................................................... 58 5. CARGAS ACTUANTES ....................................................................................................... 69 5.1 Combinaciones para Comprobaciones en ELU ............................................................... 69 5.1.1 Situación Persistente y Transitoria .......................................................................... 69 5.2 Combinaciones para Comprobaciones en ELS ................................................................ 70 5.2.3 Combinación Característica..................................................................................... 70 5.2.2 Combinación Frecuente .......................................................................................... 71 5.3 Coeficientes de Combinación de las Acciones Variables ................................................. 72 5.4 Combinaciones de Carga ............................................................................................... 72 6. MODELO DE MIDAS CIVIL ................................................................................................ 74 6.1 Introducción.................................................................................................................. 74 6.2 Unidades ....................................................................................................................... 75 6.3 Definición de la Sección y las Propiedades de los Materiales.......................................... 75 6.4 Modelo Estructural........................................................................................................ 75 6.5 Grupos Estructurales ..................................................................................................... 77 6.6 Grupos de Condiciones de Contorno ............................................................................. 78 6.6.1 Condiciones de Contorno de los cimientos de las pilas ............................................ 78 6.6.2 Condiciones de Contorno del Estribo 1 ................................................................... 79 6.6.3 Condiciones de Contorno del Estribo 2 ................................................................... 80 6.6.4 Unión Pila-Tablero Construcción ............................................................................. 81 6.6.5 Unión Pila-Tablero Servicio ..................................................................................... 82 6.7 Grupos de Carga ............................................................................................................ 83 6.8 Definición de las Fases de Construcción......................................................................... 85 6.8.1 Fase 1 ..................................................................................................................... 85 44 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.8.2 Fase 2 ..................................................................................................................... 85 6.8.3 Fase 15 ................................................................................................................... 86 6.8.4 Fase 16 ................................................................................................................... 86 6.8.5 Fase 17 ................................................................................................................... 86 6.8.6 Fase 18 ................................................................................................................... 86 6.9 Introducción de las Cargas............................................................................................. 93 6.9.1 Carga de Peso Propio .............................................................................................. 93 6.9.2 Pretensado Superior ............................................................................................... 93 6.9.3 Pretensado Inferior Lateral ..................................................................................... 95 6.9.4 Pretensado Inferior Central..................................................................................... 97 6.9.5 Carga de Viento .................................................................................................... 100 6.9.6 Carretón ............................................................................................................... 107 6.9.7 Carro de Avance ................................................................................................... 109 6.9.8 Peso Hormigón Fresco .......................................................................................... 109 6.9.9 Sobrecarga de Uso en Construcción ...................................................................... 109 6.9.10 Cargas Muertas................................................................................................... 110 6.9.11 Sobrecarga de Uso en Servicio: Moving Loads ..................................................... 111 6.10 Combinaciones de Carga ........................................................................................... 113 7. RESULTADOS ................................................................................................................. 114 7.1 Introducción ................................................................................................................ 114 7.2 Fases de Construcción ................................................................................................. 115 7.2.1 Tensiones ............................................................................................................. 115 7.2.2 Esfuerzos .............................................................................................................. 120 7.2.3 Movimientos ........................................................................................................ 130 7.3 Servicio ....................................................................................................................... 132 7.3.1 Tensiones ............................................................................................................. 132 7.3.2 Esfuerzos .............................................................................................................. 133 7.3.3 Movimientos ........................................................................................................ 137 7.4 Comparativa de Esfuerzos: Construcción y Servicio...................................................... 138 7.4.1 ELS Construcción y Servicio Combinación Frecuente ............................................. 139 7.4.2 ELU Construcción y Servicio .................................................................................. 139 7.5 Comprobaciones de Rotura ......................................................................................... 140 7.6 Dimensionamiento de la Armadura Pasiva................................................................... 142 7.6.1 Armadura Longitudinal Losa Superior ................................................................... 142 45 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7.6.2 Armadura Longitudinal Losa Inferior ..................................................................... 142 7.6.3 Armadura Longitudinal Almas ............................................................................... 143 7.6.4 Armadura Transversal Losa Superior ..................................................................... 143 7.6.5 Armadura Transversal Losa Inferior ...................................................................... 143 7.6.6 Armadura Transversal Almas ................................................................................ 143 8. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 144 46 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 1. INTRODUCCIÓN En este bloque del proyecto se pretende establecer una metodología para el análisis y dimensionamiento de puentes construidos evolutivamente. La técnica que se empleará para trazar la metodología es la de voladizos sucesivos. La técnica de la construcción por voladizos sucesivos, como se ha explicado detenidamente en la Parte 1, consiste en la construcción del tablero a partir de las pilas añadiendo dovelas de forma simétrica respecto a la pila con la forma de “T”. En el caso del siguiente proyecto, las dovelas del puente serán prefabricadas. De manera que los esfuerzos de fluencia y retracción del hormigón no serán muy elevados debido a la edad del hormigón. El procedimiento que se seguirá será el conveniente para la traza de la metodología. Se comenzará con la descripción del puente, los datos técnicos de los distintos materiales que lo componen, el predimensionamiento de las secciones del tablero y de la pila, el perfil del pretensado superior e inferior, las cargas actuantes y combinaciones de carga. Una vez que se tengan todos los datos, se podrán introducir en el programa. Se realiza un recorrido por el programa indicando los pasos a seguir para tener definido los elementos del puente, las acciones que actúan, las condiciones de contorno y las combinaciones de carga definidas en cada una de las fases de construcción. Una vez que se haya completado lo anterior, se podrá ejecutar el programa y obtener resultados. Con estos resultados se podrán realizar las comprobaciones de Estado Límite de Servicio y de Estado Límite Último. Las comprobaciones de rotura las realiza el programa. En el caso de que no cumplan, se debe aumentar el pretensado. Se dispondrá de armadura geométrica mínima longitudinal y transversal definida según la EHE-08 [7]. 2. DATOS DEL PROYECTO Se pretende analizar y dimensionar un puente ficticio que se encuentra situado en la provincia de Granada en una cerrada en una zona caracterizada según la IAP-11 [8] como rural con vegetación baja y obstáculos aislados. Se trata de un puente de tres vanos. Los laterales tienen una longitud de 41 metros y el central de 82 metros. Las dos pilas tienen una altura de 60 metros. Como simplificación, se supondrá la base de las pilas como empotrada. Debido a que en este proyecto no se realizará el cálculo de la cimentación. 47 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 1. Alzado del Puente. La sección del tablero tiene 17 metros en de ancho, con unas barandillas de 0.6 metros en cada extremo. La capa de rodadura tendrá 0.06 metros de espesor compuesta por una mezcla bituminosa en caliente. El resto de dimensiones de la sección en cajón se obtendrán en el predimensionamiento. Ilustración 2. Sección del Tablero. Por otro lado se escoge para la sección de la pila una sección en cajón rectangular simple puesto que para pilas altas, como es el caso, esta sección es la más apropiada debido al gran radio de giro que tiene en las dos direcciones: transversal y longitudinal. 48 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los datos técnicos utilizados en el proyecto son los siguientes: Sección Cajón Armadura Activa Armadura Pasiva Rodadura Barandilla ν γ (kN/m3) fck (Mpa) fpmáx (Mpa) fyp (Mpa) Ep (Mpa) fy (Mpa) γ (kN/m3) e (m) l (m) W (kN/m) 0,2 25 50 1860 1674 195000 500 23 0,06 0,6 20 Ilustración 3. Datos Técnicos. 3. PREDIMENSIONAMIENTO 3.1 Introducción Para poder definir las dimensiones del tablero y pila del puente, se realiza un predimensionamiento previo en base a las cargas actuantes. Se debe presentar la distinción entre las fases constructivas y el servicio del puente. La diferencia reside en que durante las fases de construcción, los vanos se encuentran funcionando como voladizos, lo que implica la aparición de momentos negativos, siendo los más desfavorables los de la cabeza de pila, no solo en la construcción sino también durante la vida útil. La explicación es la siguiente: en servicio, los momentos negativos en los apoyos disminuyen debido a la unión del vano central y el apoyo de los vanos laterales en los estribos, puesto que cambia la distribución de momentos flectores, generando momentos positivos en el centro del vano y laterales. Por tanto, la conclusión que se puede obtener es que, puesto que el pretensado debe soportar los momentos tanto en construcción como en servicio, de dimensionará el pretensado superior con los momentos negativos de construcción y el pretensado inferior, tanto central como lateral, como los momentos positivos que se dan en servicio. 3.2 Características Geométricas de la Sección En la siguiente instrucción del Ministerio de Fomento de Obras de Paso de Nueva Construcción [9], se establecen unas relaciones geométricas comunes entre las dimensiones del tablero. De esta manera resulta más sencillo encajar la sección dentro del rango de trabajo en función de la luz del vano, la longitud de las alas… Las relaciones que se establecen entre el canto y la luz (canto/luz) son las siguientes: 49 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Para las secciones de canto variable: · · 1/18 – 1/22 à Sobre las pilas. 1/40 – 1/55 à Centro de vano y estribos. De acuerdo a estas relaciones se obtendrá el canto de la dovela de pila y de la dovela central, en función de los esfuerzos. Por otro lado, las dimensiones de la sección presentan las siguientes relaciones: Ilustración 4. Relaciones entre las dimensiones de la sección [8]. Ilustración 5. Detalle Relaciones Alma [8]. 50 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 6. Detalle Relaciones Losas Superior e Inferior [8]. Teniendo en cuenta algunas recomendaciones, las dimensiones de la sección son las siguientes: ݏ݈ܥൌ ͲǤͶ݉Ǥ ݈݅ܥሺܽݕሻ ൌ ͲǤͷ݉Ǥ ݈݅ܥሺܿ݁݊ݎݐሻ ൌ ͲǤͶ݉Ǥ El ancho en la sección del apoyo es mayor debido a que los momentos negativos son mayores. De esta manera, el área mayor de la losa inferior permite que el paquete de compresiones sea soportado por el hormigón sin romperlo. ܣܥൌ ͲǤͷ݉Ǥ ܽ ൌ ͳ݉Ǥ ݒൌ Ͷ݉Ǥ ݁ܥൌ ͲǤ͵݉Ǥ ܽܥൌ ͲǤͶͷ݉Ǥ La dimensión que falta por determinar es el canto de la sección de apoyo, el canto de la sección centro y la evolución parabólica del canto. Esta se determinará con los momentos del predimensionamiento. 3.3 Predimensionamiento de la Sección del Tablero El predimensionamiento de la sección del tablero se realiza en la situación de construcción del puente. Para el dimensionamiento de la sección de pila, se escoge las relaciones del canto con la luz del vano y se aplica para el apoyo la relación mayor: ݐ݊ܽܥ ܪ ͳ ͳ ൌ ൌ ՜ ܪൌ ͺʹ ൌ ͶǤͷ ՜ ࡴ ൌ ݖݑܮ ͺʹ݉ ͳͺ ͳͺ De esta manera, se está del lado de la seguridad puesto que hay que tener en cuenta que la sección soportará más cargas que las que se cuentan en el predimensionamiento. 51 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Se ha escogido la longitud de vano de 82 metros por el mismo motivo, aunque en construcción la longitud máxima de cada voladizo es de 41 metros. En servicio el vano central tiene 82 metros de longitud aunque los momentos negativos son menores que en construcción. Por tanto, se ha escogido la peor situación de cada etapa: la sección se predimensiona para los momentos negativos que se dan en la construcción y se escoge una longitud de vano equivalente al vano central en servicio. De esta forma, se tiene encajada la sección del apoyo. En cuanto a la sección del centro, se deben calcular los momentos flectores del voladizo. Con un programa de cálculo de esfuerzos como puede ser el Cespla, se traza un voladizo de 41 metros de longitud empotrado en uno de sus extremos. Se calcula el peso propio de la dovela de apoyo y se le aplica al voladizo como una carga externa. Lo que quiere decir que como simplificación se asume que el voladizo tiene como sección, la sección del apoyo y que está sometido en construcción únicamente bajo la acción del peso propio. Se obtendrá la ley de momentos flectores en el mismo plano del alzado del voladizo y se hallará la relación de momentos a cierta distancia (x). Siendo: ݕܽݐ݊ܽܥൌ ඥܴ݈݁ሺݔሻ ݎݐ݊݁ܿݐ݊ܽܥ՜ ݎݐ݊݁ܿݐ݊ܽܥൌ ݕܽݐ݊ܽܥ ඥܴ݈݁ሺݔሻ ܴ݈݁ሺݔሻ à La relación entre el momento del apoyo y el momento a una distancia (x). En primer lugar se calcula el peso propio de la sección del apoyo. Ilustración 7. Sección Dovela de Pila. 52 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los datos de la sección del apoyo son los siguientes: ܣൌ ͳͷǤ͵ͺͻͺ݉ଶ Ǥ ܫ௬ ൌ ʹǤͷʹ݉ସ Ǥ ܫ௭ ൌ ʹͷǤʹͶͷ݉ ସ Ǥ Con estos datos se puede calcular el peso de la dovela de pila: ܹ ൌ ߩ ܣൌ ʹͷ ݇ܰൗ݉ ଷ ͳͷǤ͵ͺͻͺ݉ଶ ൌ ͵ͺͶǤͶͷ ݇ܰൗ݉ ؆ ͵ͺͷ ݇ܰൗ݉ Ǥ Ilustración 8. Ley de Momentos Flectores bajo acción DE Peso Propio. Esta es la ley de momentos flectores del voladizo cuando está sometido a la acción del peso propio. El valor del momento negativo en el apoyo es el siguiente: ݕܽܯൌ െ͵ʹ͵ͷͻʹǤͷ݇ܰ ݉Ǥ Y el momento negativo en la mitad del vano es de: ܯሺ ݔൌ ʹͲǤͷ݉ሻ ൌ െͺͲͺͻͺǤͳʹͷ݇ܰ ݉Ǥ La relación de momentos es: ܴ݈݁ሺ ݔൌ ʹͲǤͷ݉ሻ ൌ െ͵ʹ͵ͷͻʹǤͷ݇ܰ ݉ ൌ ͶǤ െͺͲͺͻͺǤͳʹͷ݇ܰ ݉ Por tanto, la relación entre los cantos queda: ݎݐ݊݁ܿݐ݊ܽܥൌ ݕܽݐ݊ܽܥ ඥܴ݈݁ሺݔሻ ൌ ͷ݉ ξͶ ൌ ʹǤͷ݉ ՜ ࢎ ൌ Ǥ Ǥ De esta manera se tiene la sección del apoyo y del centro, encajadas. 53 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Esta es la sección del apoyo acotada y con los datos representativos. Ilustración 9. Sección Dovela Apoyo Acotada. ܣൌ ͳͷǤ͵ͺͻͺ݉ଶ Ǥ ܫ௬ ൌ ʹǤͷʹ݉ସ Ǥ ܫ௭ ൌ ʹͷǤʹͶͷ݉ ସ Ǥ Esta otra es la sección del centro con los datos significativos. La dovela mantiene todas las dimensiones de la dovela de apoyo salvo el canto. Ilustración 10. Sección Dovela Central Acotada. ܣൌ ͳʹǤͲͻͳͷ݉ଶ Ǥ ܫ௬ ൌ ͳͳǤͳʹͶͷ݉ସ Ǥ ܫ௭ ൌ ʹͲǤͺͻʹͷ݉ ସ Ǥ Una vez que se tengas las secciones del apoyo de la pila y del centro del vano, se debe determinar a criterio del proyectista la variación del canto y el tamaño de las dovelas prefabricadas. 54 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu A continuación se pretende determinar la geometría del puente en el alzado. La sección del apoyo es siempre mayor que la sección en el centro del vano porque los momentos en el centro son menores. Al disminuir la sección, el peso propio que soporta la estructura disminuye, disminuyendo en mayor medida el momento en las secciones centrales. Si se disminuye el canto, disminuye a su vez el brazo mecánico de la sección, generando un par de fuerzas de tracción y de compresión, localizadas según ese momento sea positivo o negativo, cuya magnitud es mayor cuanto menor sea el canto. Pero, puesto que el momento en las secciones centrales es menor, la disminución del canto genera unas compresiones admisibles por la losa de hormigón (bien superior o inferior según sea el momento positivo o negativo respectivamente) y unas tracciones que son soportadas por un pretensado menor que el que se da en los apoyos. Lo que quiere decir que las tracciones y compresiones en el centro del vano son menores que las del apoyo, aun teniendo el canto menor. En el caso de este proyecto, la evolución del canto se determinará en función de la dovela de apoyo, la longitud del resto del vano, la relación de cantos determinada anteriormente y del rango en el que se comprende el tamaño de las dovelas. En primer lugar se determina el tamaño de la dovela de apoyo. La dovela de apoyo debe coincidir con el ancho de la pila en su cabeza, es decir, con la dimensión transversal a la dirección de trazo del puente. Como se verá en el predimensionamiento de la sección de la pila, esta dimensión tiene un valor de 4 metros. Por tanto, la dovela de apoyo tendrá 4 metros de longitud. Estos 4 metros se dividen en 2 metros pertenecientes al vano de la izquierda de la pila y 2 metros pertenecientes al vano de la derecha de la pila. Se pretende describir la evolución del canto para el vano de la izquierda de la pila 1, que tendrá su simétrico en el vano de la derecha de la pila 2, o lo que es lo mismo, los vanos laterales. Si al vano lateral se le descuentan los 2 metros que suponen la mitad de la dovela de apoyo, quedan 39 metros restantes, puesto que la longitud del vano son 41 metros contando desde el centro del apoyo. El tamaño de las dovelas prefabricadas según la Instrucción del Ministerio de Fomento de: Obras de Paso de Nueva Construcción, se encuentra comprendido entre 2 y 3 metros para la construcción por voladizos sucesivos. Por tanto, puesto que 39 es divisible por 3, se dispondrán en los vanos laterales 13 dovelas de 3 metros de longitud. El siguiente paso es decidir a partir de qué dovela comienza la evolución del canto. Debido a que la relación entre el canto de la dovela de apoyo y la dovela del centro se establece a una distancia de 20.5 metros desde la mitad de la dovela de apoyo, el canto constante comenzará a partir de dicha distancia. Como se puede observar: 20.5 m – 2 m = 18.5 m. Estos 18.5 metros no son divisibles por 3, lo que significa que no equivale a dovelas enteras. En esta situación se decide dotar al puente de un tramo de 21 metros de sección constante (Canto de 2.5 metros) y 55 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu un tramo de 18 metros de sección con canto variable hasta llegar a la dovela de pila, que a su vez tiene una longitud de 4 metros. La evolución del canto de las dovelas se asume parabólica. El canto de la losa inferior mantendrá una evolución siguiendo la misma ley que el canto de la sección, pasando de 0.5 metros en la sección del apoyo a 0.4 metros en la sección central. Ilustración 11. Voladizo Lateral. Se puede observar que la dovela “0” es la mitad de la dovela de pila, que las dovelas de la 1 a la 6 son las dovelas de canto variable y que las dovelas de la 7 a la 13 son las dovelas de canto constante. El siguiente paso es determinar la evolución del canto para el voladizo de la derecha de la pila 1 y su simétrico, voladizos que una vez hormigonada la clave, se convertirán en el vano central de 82 metros del puente. La longitud de los voladizos que compondrán el vano central es más corta que los laterales puesto que para la unión de los dos voladizos es preciso hormigonar la clave. Esta clave se hormigona “in situ” y por tanto no se trata como una dovela perteneciente a los voladizos, sino como la unión entre ambos. Se decide una longitud de la clave de 1 metro. Por tanto, cada voladizo tendrá medio metro menos, es decir, una longitud de 40.5 metros. Se decide mantener la longitud del tramo con canto variable, de 18 metros compuesto de 6 dovelas de 3 metros. En cuanto al tramo de longitud constante de 20.5 metros estará compuesto por 6 dovelas de 3 metros y una dovela de 2.5. Esta dovela será la número 13, la que estará en contacto con la clave. La mitad del puente queda de la siguiente forma: voladizo lateral, voladizo central y pila 1. Ilustración 12. Voladizos de la Pila 1. 56 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 3.4 Predimensionamiento de la Sección de la Pila El predimensionamiento de la pila se llevará a cabo de acuerdo a las indicaciones en el libro de Javier Manterola [1]. En el capítulo 13 de Pilas, Apoyos y Cimentaciones, se indican las expresiones de aproximación para las dimensiones de la sección de la pila. En primer lugar, es menester decir que la pila del proyecto es una pila de gran altura debido a que su altura es superior a 15 metros. Se escoge para la sección de la pila, una sección en cajón rectangular, siendo la más clásica de las pilas altas. Se caracteriza por tener una excelente rigidez a flexión en ambas direcciones y a torsión. Lo más habitual de estas pilas es la variación del canto en la dirección transversal al eje longitudinal del puente. En este proyecto se mantendrá constante el ancho de la sección de la pila en la dirección longitudinal mientras que en la dirección transversal al eje del puente se producirá una variación del canto cerca de la cabeza de pila, de manera que la dimensión de la pila en dicha dirección coincida con el ancho de la losa inferior del tablero. Según el libro de referencia la anchura de la sección puede oscilar alrededor de los valores de: Siendo H la altura de la pila en metros. ܽ ൌ ͳ ͲǤͲʹ ܪ En este proyecto el valor que toma dicha dimensión es el siguiente: ܽ ൌ ͳ ͲǤͲʹ ܪൌ ͳ ͲǤͲʹ Ͳ݉ ൌ ʹǤʹ݉ Este valor parece pequeño en relación a la altura de la pila, principalmente para los efectos de segundo orden como es el pandeo. Así pues, se decide adoptar un valor de 4 metros. En cuanto al valor de la profundidad de la sección de la pila, se puede aproximar mediante la siguiente expresión: ܾ ൌ ʹ ͲǤͲ ܪ El valor que se obtiene para el siguiente proyecto es: ܾ ൌ ʹ ͲǤͲ ܪൌ ʹ ͲǤͲ Ͳ݉ ൌ ͷǤ݉ ؆ ݉Ǥ Esta dimensión no coincide con el valor del ancho de la losa inferior de la sección del tablero. Por tanto es preciso definir una evolución de esta dimensión para que en el encuentro de pila y dintel, coincidan en el apoyo. Esta evolución será parabólica que comenzará a 1/10 de la altura de la pila contando a partir de la cabeza de la pila, o lo que es lo mismo, 6 metros de evolución de la dimensión. De esta manera se pasa de 6 metros a 9 metros. Una vez ajustadas las dimensiones exteriores, se debe decidir el espesor de las paredes que componen la sección cajón de la pila. Según la Instrucción del Ministerio de Fomento: Obras de 57 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Paso de Nueva Construcción [9], los espesores máximos suelen estar comprendidos entre 0.4 y 0.5 metros. En el caso de este proyecto se decide un espesor máximos de 0.5 metros. La sección de la pila tendrá las siguientes dimensiones: Ilustración 13. Sección de la Pila. 4. PRETENSADO El pretensado de un puente construido por voladizos sucesivos se divide en dos tipos. El denominado pretensado superior, es el utilizado para la resistencia de los momentos negativos bajo los cuales se someten los voladizos durante las fases de construcción, debido a que el peso propio y las sobrecargas actúan según la acción de la gravedad, creando momentos negativos en las dovelas. Por otro lado se encuentra el pretensado inferior que es el encargado de resistir los momentos positivos a los que se ve sometido el puente. Estos momentos positivos se dan cuando el puente se convierte en una estructura hiperestática, es decir, cuando se ejecutan los estribos y se hormigona la clave. A su vez, el pretensado inferior se divide en pretensado inferior lateral y pretensado inferior central. Cada uno se corresponde con la ubicación. El pretensado inferior lateral se ubica en los vanos laterales y son los encargados de soportar los momentos positivos laterales. Este pretensado se ejecuta cuando se fijan los estribos y antes del hormigonado de la clave. Mientras que el pretensado inferior central se ubica en el vano central y se coloca una vez que la clave se haya hormigonado y fraguado. Se comenzará en primer lugar con el pretensado superior puesto que es el que se dimensiona para la construcción cuando los voladizos crean momentos negativos. Se dimensiona el pretensado de manera que se soporten dichos esfuerzos. Se calculará el pretensado necesario en los voladizos considerando el voladizo en su situación más desfavorable, que se da cuando el voladizo adquiere su máxima longitud previo a su apoyo en el estribo, en el caso de vanos 58 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu laterales, o en la unión con el otro voladizo mediante la clave, en el caso de los voladizos centrales. Se calcularán los momentos considerando únicamente el peso propio para obtener los momentos negativos. Al obviarse sobrecargas de uso como el carretón o las cargas de viento, se magnificarán los esfuerzos en un 50 % adicional para disponer de margen. Se debe tener en cuenta que el pretensado debe ser capaz de soportar los esfuerzos y no provocar tracciones en ninguna de las fibras de ninguna sección según la combinación de carga de Estado Límite de Servicio Frecuente, que será la que afecte normalmente al puente. Por otro lado, se debe tener en cuenta que el avance en voladizos sucesivos con dovelas prefabricadas se realiza de manera que cada vez que se coloca una dovela nueva, bien dorsal, bien frontal, esta nueva se fija a la anterior por medio del pretensado. De esta manera, cada nueva dovela se ancla a ella un número determinado de tendones. Lo habitual en la construcción de puentes por voladizos sucesivos es que se pierdan 4 tendones cada nueva dovela, dos por cada alma. Cuando se dice perder, quiere decir que a cada nueva dovela, la ley de momentos que la afecta es menor que la dovela de apoyo y por tanto necesitará un pretensado menor. Así pues, se decide dejar en la dovela 13, 4 tendones. Esto significa que serán necesarios 56 tendones en la dovela de apoyo. A continuación se procede al cálculo de los momentos negativos en el vano lateral. El pretensado que se obtenga se prolonga al voladizo central, de manera que la dovela 1 de cada voladizo se coloca a la misma vez para evitar de esta manera transmitirle a la pila momentos que la desequilibren en los cimientos. Se utilizará el programa Cespla para el cálculo de esfuerzos para adquirir una primera aproximación. El peso propio de las dovelas se debe introducir como una carga externa. Por tanto, es menester decir que es difícil determinar la evolución del peso propio con la evolución parabólica del canto, para la sección variable. Así pues, se toma la decisión de aplicar el peso propio de la dovela del apoyo a todo el tramo de canto variable y el peso propio de la dovela del centro al tramo de sección de canto constante. Según los datos de las secciones definitivas, el peso propio de cada una es: ܹሺܽݕሻ ൌ ʹͷ ݇ܰൗ݉ ଷ ͳͷǤ͵ͺͻͺ݉ ଶ ൌ ͵ͺͶǤͶͷ ݇ܰൗ݉ ؆ ͵ͺͷ ݇ܰൗ݉ Ǥ ܹሺܿ݁݊ݎݐሻ ൌ ʹͷ ݇ܰൗ݉ ଷ ͳʹǤͲͻͳͷ݉ ଶ ൌ ͵ͲʹǤʹͻ ݇ܰൗ݉ ؆ ͵Ͳ͵ ݇ܰൗ݉ Ǥ Ilustración 14. Cargas de Peso Propio. 59 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los momentos flectores siguen la siguiente ley: Ilustración 15. Ley de Momentos Flectores. El siguiente paso es determinar el área necesaria de pretensado para soportar las tracciones que se ocasionan en la fibra superior de la sección debido a los momentos negativos. Se relatará con detalle para la dovela de apoyo y se darán los resultados para el resto de dovelas, puesto que el procedimiento es el mismo. Ilustración 16. Dovela de Apoyo sometida a Esfuerzos. ܯா ൌ ߛ ܯൌ ͳǤͷ ʹͳͲͳǤͷ݇ܰ ݉ ൌ ͶͲͲǤʹͷ݇ܰ ݉Ǥ ܶൌ ݂ௗ ൌ ݖൌ ͷ െ ͲǤʹͷ െ ͲǤʹ ൌ ͶǤͷͷ݉Ǥ ܯா ͶͲͲǤʹͷ݇ܰ ݉ ൌ ؆ ͺͻ͵ͷ݇ܰǤ ݖ ͶǤͷͷ݉ ݂ ͷͲܽܲܯ ൌ ൌ ͵͵Ǥ͵͵ ܽܲܯൌ ͵͵͵͵͵݇ܲܽǤ ߛ ͳǤͷ ͺͻ͵ͷ݇ܰ ؆ ͳͻͺͻͷͻ݇ܲܽ ൏ ݂ௗ ܣ௦ ͲǤͷ ͻ݉ ଶ ՜ ݊×݅ݏ݁ݎ݉ܿܽܽݐ݊ܽݑ݃ܽ݊×݃݅݉ݎ݄݁݀ܽݏ݈݈ܽ݁ݑݍݎ݅ܿ݁݀݁ݎ݁݅ݑݍ݁ݑݍܮǤ ߪ ൌ ܶ ൌ 60 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Una vez que se ha realizado la comprobación de que la losa inferior de hormigón aguanta a compresión y que no es necesario aumentar su grosor, se procede a la determinación del área necesaria para el pretensado. Las características del acero de pretensado son las siguientes: ݂௫ ൌ ͳͺͲܽܲܯǤ ݂௬ ൌ Ͳͻ ͳͺͲ ܽܲܯൌ ͳͶܽܲܯǤ ൌ ܣௗ× ൌ ͳͷͲ݉݉ ଶǤ ܶ ͺͻ͵ͷ݇ܰ ൌ ൌ ͲǤͲͷ͵͵ͺ݉ଶ ൌ ૡǤ ݂௬ ͳͶ ͳͲଷ ݇ܲܽ Este es el área de pretensado necesaria para resistir el momento flector que sufre la sección del apoyo. El mismo procedimiento se sigue para el resto de dovelas. Pretensado Superior Necesario Dovela Ap(mm2) 1 48670 2 48458 3 46508 4 42208 5 36237 6 28508 7 20945 8 14545 9 9308 10 5237 Ilustración 17. Tabla de Pretensado Superior Necesario. Se puede observar que el área necesaria de pretensado en el resto de dovelas es pequeña. Por tanto, se dimensionará el pretensado de manera que este satisfaga las necesidades de cada dovela. Para tener 4 tendones en la última dovela y procurar el pretensado necesario para cada dovela, la solución definitiva es poner tendones de 7 cordones. Posiblemente habrá que cambiar el pretensado superior cuando se introduzcan en el programa Midas Civil las cargas restantes que actúan en las fases de construcción. 61 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu El pretensado definitivo del predimensionamiento es el siguiente: Pretensado Superior Predimensionamiento Dovela Tendones Ap(mm2) 0 56T de 7φ 0,6" 58800 1 52T de 7φ 0,6" 54600 2 48T de 7φ 0,6" 50400 3 44T de 7φ 0,6" 46200 4 40T de 7φ 0,6" 42000 5 36T de 7φ 0,6" 37800 6 32T de 7φ 0,6" 33600 7 28T de 7φ 0,6" 29400 8 24T de 7φ 0,6" 25200 9 20T de 7φ 0,6" 21000 10 16T de 7φ 0,6" 16800 11 12T de 7φ 0,6" 12600 12 8T de 7φ 0,6" 8400 13 4T de 7φ 0,6" 4200 Ilustración 18. Tabla de Pretensado Definitivo. Las dimensiones de los tendones y características se han sacado del catálogo de BBR de pretensado interior [10]. El siguiente paso es determinar el trazado que seguirán los tendones a lo largo del voladizo. Se ha descrito el trazado de tal manera que se puede ver que los tendones que van desapareciendo son los que tienen mayor excentricidad con la superficie del tablero. El pretensado superior queda de la siguiente manera: Ilustración 19. Disposición del Pretensado Superior en la Dovela de Pila. La enumeración se corresponde con los tendones que se pierden por cada dovela y sus simétricos. A continuación se mostrará el trazado en alzado y en planta. Este será el trazado que se introduzca en el programa. 62 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Una imagen de la planta del pretensado superior del puente completo: Ilustración 20. Planta del Pretensado Superior del Puente Completo. El alzado de la mitad del puente es el siguiente: Ilustración 21. Alzado de la mitad del Puente. En este alzado que representa la mitad del puente, se puede apreciar el trazado del pretensado superior y del pretensado inferior, tanto central como lateral. Más adelante se verán los cálculos del pretensado inferior. Ilustración 22. Planta del Pretensado Superior. La imagen anterior representa la planta del pretensado superior hasta la dovela 10, aunque el trazado es hasta la dovela 13. Se puede apreciar con mayor detalle el trazado de los tendones. Un detalle del alzado del pretensado superior puede ser: Ilustración 23. Detalle del Alzado del Pretensado Superior. 63 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Y así sucesivamente hasta la dovela 13, perdiendo 4 tendones por cada dovela, siguiendo el trazado correspondiente. Después de haber obtenido el pretensado superior, se procede a determinar el pretensado inferior, de los vanos laterales y del vano central. El pretensado inferior se obtiene de los esfuerzos en el estado de servicio, como se ha explicado con anterioridad. En este caso se ha representado en el Cespla el puente entero, siguiendo la misma hipótesis de carga que en construcción. Es decir, como no se tiene mucha precisión con este programa para determinar el peso propio que se le impone como una carga externa, en el tramo de variación de canto se le impone el peso propio de la dovela de apoyo y en los tramos de canto constante, el peso propio de la sección del centro. Además de las cargas de peso propio, se le añaden las cargas muertas (barandilla y rodadura), la carga de viento vertical y las cargas verticales de tráfico. ܲ݁݅ݎݏሺ݈ܽݎݐ݊݁ܿ݊×݅ܿܿ݁ݏ݁݀݉ܽݎݐሻ ՜ ܹ ൌ ͵Ͳ͵݇ܰȀ݉ ܲ݁݅ݎݏሺ݈ܾ݁ܽ݅ݎܽݒݐ݊ܽܿ݊×݅ܿܿ݁ݏ݁݀݉ܽݎݐሻ ՜ ܹ ൌ ͵ͺͷ݇ܰȀ݉ ݈݈ܽ݅݀݊ܽݎܽܤ՜ ܹ ൌ ʹͲ݇ܰȀ݉ ܴ ܽݎݑ݀ܽ݀՜ ܹ ൌ ʹ͵ǤͶ݇ܰȀ݉ ܸ݅݁݊ ݈ܽܿ݅ݐݎ݁ݒݐ՜ ܹ ൌ ʹ͵Ǥͺ݇ܰȀ݉ Se calculan las cargas verticales que induce el tráfico según el Modelo 1 de carga definido en la Instrucción IAP-11 [8]. · Carriles Virtuales ݊ ൌ ݁݊ ݐ൬ · ݓൌ ͳ݉ െ ͲǤ ʹ ൌ ͳͷǤͺ݉ ՜ ݓ ݉Ǥ ͳ ݓͷǤͺ ൌ ൌ ͷǤʹ ൌ ͷܿܽݏ݈݁݅ݎݎ൰ ՜ ͷܿܽݏ݈݁ܽݑݐݎ݅ݒݏ݈݁݅ݎݎǤ ͵ ͵ ݈ܽݑݐݎ݅ݒ݈݅ݎݎ݄ܽܿܿ݊ܣൌ ͵݉Ǥ ݁ݐ݊݁݊ܽ݉݁ݎܽ݁ݎܽݎݑ݄ܿ݊ܣ՜ ݓെ ͵ ݊ ൌ ͳͷǤͺ െ ͵ ͷ ൌ ͲǤͺ݉Ǥ Sobrecarga de Uso. ͳ݈݅ݎݎܽܥ՜ ͻ ݇ܰൗ݉ ଶ ͵݉ ൌ ʹ݇ܰȀ݉ ʹ݈݅ݎݎܽܥ՜ ʹǤͷ ݇ܰൗ݉ ଶ ͵݉ ൌ Ǥͷ݇ܰȀ݉ ͵݈݅ݎݎܽܥ՜ ʹǤͷ ݇ܰൗ݉ ଶ ͵݉ ൌ Ǥͷ݇ܰȀ݉ ݈݅ݎݎܽܥͶ ՜ ʹǤͷ ݇ܰൗ݉ ଶ ͵݉ ൌ Ǥͷ݇ܰȀ݉ ݈݅ݎݎܽܥͷ ՜ ʹǤͷ ݇ܰൗ݉ ଶ ͵݉ ൌ Ǥͷ݇ܰȀ݉ 64 Trabajo Fin de Grado · María Luiza Nancu Nancu ݁ݐ݊݁݊ܽ݉݁ݎܽ݁ݎ՜ ʹǤͷ ݇ܰൗ݉ ଶ ͲǤͺ݉ ൌ ʹ݇ܰȀ݉ Vehículo Pesado (carga puntual) En este punto suponemos que toda la carga de los vehículos pesados se encuentra en el centro, puesto que se ha comprobado que es la posición más desfavorable para los momentos positivos centrales. ͳ݈݅ݎݎܽܥ՜ ʹ ͵ͲͲ݇ܰ ൌ ͲͲ݇ܰǤ ʹ݈݅ݎݎܽܥ՜ ʹ ʹͲͲ݇ܰ ൌ ͶͲͲ݇ܰǤ ͵݈݅ݎݎܽܥ՜ ʹ ͳͲͲ݇ܰ ൌ ʹͲͲ݇ܰǤ ܱ ݏ݈݁ܽݑݐݎ݅ݒݏ݈݁݅ݎݎܽܿݏݎݐ՜ Ͳ݇ܰǤ ݁ݐ݊݁݊ܽ݉݁ݎܽ݁ݎ՜ Ͳ݇ܰǤ Estas cargas provienen del modelo de carga 1 de tráfico rodado de la Instrucción IAP-11 [8]. Se realiza el modelo con el programa Cespla del que se obtienen los momentos con los que se obtendrá el pretensado inferior, de la misma manera que se obtuvo el pretensado superior, salvo que en este caso se pierden 2 tendones por dovela y no 4 tendones como en el caso del pretensado superior. Ilustración 24. Ley de Momentos para el Puente Completo. Posteriormente se obtienen las áreas de pretensado inferior lateral necesario. Probablemente el pretensado de los laterales se pueda disminuir en el programa, puesto que en el predimensionamiento está magnificado el efecto. En la dovela 8 se da el máximo momento flector positivo. Se calcula el pretensado necesario para dicha dovela y se ajusta el resto del pretensado de manera que por cada dovela pierda 2 tendones. El trazado de los tendones del pretensado inferior muere en la dovela 13 y en la 3. 65 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu El pretensado necesario, figura en la siguiente tabla: Pretensado Inferior Lateral Necesario Dovela Ap(mm2) 8 22790 7y9 20289 6 y 10 15872 5 y 11 9480 3 y 13 2218 Ilustración 25. Tabla con Pretensado Inferior Lateral Necesario. El pretensado definitivo es el siguiente: Dovela 8 7y9 6 y 10 5 y 11 3 y 13 Pretensado Inferior Lateral Predimensionamiento Tendones Ap(mm2) 10T de 19φ 0,6" 28500 8T de 19φ 0,6" 22800 6T de 19φ 0,6" 17100 4T de 19φ 0,6" 11400 2T de 19φ 0,6" 5700 Ilustración 26. Tabla con Pretensado Inferior Lateral Definitivo. La sección de la dovela 8 con los tendones representados: Ilustración 27. Disposición del Pretensado Inferior Lateral. El alzado del pretensado inferior lateral es el siguiente: Ilustración 28. Alzado del Pretensado Inferior Lateral. 66 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La planta del trazado del pretensado inferior lateral: Ilustración 29. Planta del Pretensado Inferior Lateral. En cuanto al pretensado central, el máximo momento positivo se dará en la clave. Según los cálculos, el trazado iría desde la clave hasta la dovela 5. Las áreas necesarias son: Pretensado Inferior Central Necesario Dovela Ap(mm2) Clave 57709 13 56141 12 52958 11 47956 10 41484 9 33078 8 23317 7 11940 5 3993 Ilustración 30. Tabla con Pretensado Inferior Central Necesario. El pretensado definitivo es el siguiente: Pretensado Inferior Central Predimensionamiento Dovela Tendones Ap(mm2) Clave 24T de 7φ 0,6" 68400 13 22T de 7φ 0,6" 62700 12 20T de 7φ 0,6" 57000 11 18T de 7φ 0,6" 51300 10 16T de 7φ 0,6" 45600 9 14T de 7φ 0,6" 39900 8 12T de 7φ 0,6" 34200 7 10T de 7φ 0,6" 28500 5 8T de 7φ 0,6" 22800 Ilustración 31. Tabla con Pretensado Inferior Central Definitivo. 67 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los tendones en la sección de la clave se pueden ver: Ilustración 32. Disposición del Pretensado Inferior Central. Como se puede observar, en la dovela 5 se anclan cuatro tendones por cada lado simétrico. El alzado de los tendones del pretensado inferior central: Ilustración 33. Alzado del Pretensado Inferior Central. La planta del pretensado inferior central: Ilustración 34. Planta del Pretensado Inferior Central. En la siguiente imagen se puede ver el pretensado inferior central y lateral en la mitad del puente: Ilustración 35. Planta del Pretensado Inferior Lateral y Central de la mitad del Puente. 68 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Y una vista del pretensado inferior del puente completo: Ilustración 36. Planta del Pretensado Inferior Lateral y Central del Puente Completo. 5. CARGAS ACTUANTES En el siguiente apartado se recurrirá a la IAP-11: Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera [8]. En la instrucción se obtendrán los valores característicos de las cargas una vez que se tengan los valores del predimensionamiento, así como los coeficientes definidos para las combinaciones de acciones. Las cargas se dividen en acciones permanentes y acciones variables (Q). Dentro de las acciones permanentes se encuentran las acciones permanentes de valor constante (G) y las acciones permanentes de valor no constante (G*). En el caso de este proyecto, dentro de las acciones permanentes de valor constante se tiene el peso propio de la estructura y las cargas muertas, como son el pavimento y el peso de la barandilla. Dentro de las acciones permanentes de valor no constante se encuentra el pretensado de tipo P1, es decir, elementos colocados dentro del contorno de la sección estructural de hormigón (pretensado interior), y las acciones reológicas (retracción y fluencia). Dentro de las acciones variables se encuentran las cargas verticales y horizontales inducidas por el tráfico (Sobrecarga de Uso) y las cargas transversales horizontales, transversales verticales y longitudinales inducidas por el viento. Las comprobaciones resistentes de Estado Límite Último se realizarán en la situación persistente y transitoria (durante la construcción) con la combinación fundamental. No se realizarán comprobaciones en situación accidental debido a que en este proyecto no se consideran los impactos ni el sismo. Por otro lado, las comprobaciones en Estado Límite de Servicio se realizarán en la situación persistente y transitoria con la combinación característica y la combinación frecuente. 5.1 Combinaciones para Comprobaciones en ELU 5.1.1 Situación Persistente y Transitoria El valor de cálculo del efecto de las acciones se obtendrá combinando las acciones que puedan actuar simultáneamente. Deberán realizarse tantas combinaciones como sea necesario, considerando en cada una de ellas, una de las acciones variables como dominante y el resto 69 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu como concominantes. En el caso del proyecto, las acciones variables que se combinan son el viento y la sobrecarga de uso (SCU). כ ߛொǡଵ ܳǡଵ ߛொǡ ߰ǡ ܳǡ ߛீǡ ܩǡ ߛீǡ ܩǡ Donde: ஹଵ ஹଵ வଵ ܩǡ à Valor característico de cada acción permanente. כ ܩǡ à Valor característico de cada acción permanente de valor no constante. ܳǡଵ à Valor característico de la acción variable dominante. ߰ǡ ܳǡ à Valor de combinación de las acciones variables concominantes con la acción variable dominante. ߛீ ǡ ߛொ à Coeficientes parciales. Los coeficientes parciales figuran en la siguiente tabla: Coeficientes Parciales ELU Acción Coeficiente Peso Propio Favorable 1 Peso Propio Desfavorable 1,35 Carga Muerta Favorable 0,9 Carga Muerta Desfavorable 1,1 Pretensado Favorable 1 Pretensado Desfavorable 1 Reológicas Favorable 1 Reológicas Desfavorable 1,35 SCU Favorable 0 SCU Desfavorable 1,35 Viento Favorable 0 Viento Desfavorable 1,5 Ilustración 37. Tabla con los Coeficientes Parciales del ELU. 5.2 Combinaciones para Comprobaciones en ELS 5.2.3 Combinación Característica Se trata de una situación poco probable. Se utiliza para Estados Límite de Servicio irreversibles, es decir, estado que una vez es superado, se mantiene de forma permanente, incluso si se elimina la acción que lo ha provocado. כ ߛீǡ ܩǡ ߛீǡ ܩǡ ߛொǡଵ ܳǡଵ ߛொǡ ߰ǡ ܳǡ ஹଵ ஹଵ வଵ 70 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Coeficientes Parciales ELS Acción Coeficiente Peso Propio Favorable 1 Peso Propio Desfavorable 1 Carga Muerta Favorable 1 Carga Muerta Desfavorable 1 Pretensado Favorable 0,9 Pretensado Desfavorable 1,1 Reológicas Favorable 1 Reológicas Desfavorable 1 SCU Favorable 0 SCU Desfavorable 1 Viento Favorable 0 Viento Desfavorable 1 Ilustración 38. Tabla con los Coeficientes Parciales del ELS Combinación Característica. 5.2.2 Combinación Frecuente Se trata de la situación en la que normalmente se encuentra la estructura. Se utiliza para Estados Límite de Servicio reversibles, es decir, que deja de ser superado cuando desaparece la acción que lo provoca. כ ߛொǡଵ ߰ଵǡଵ ܳǡଵ ߛொǡ ߰ଶǡ ܳǡ ߛீǡ ܩǡ ߛீǡ ܩǡ ஹଵ ஹଵ வଵ Coeficientes Parciales ELS Acción Coeficiente Peso Propio Favorable 1 Peso Propio Desfavorable 1 Carga Muerta Favorable 1 Carga Muerta Desfavorable 1 Pretensado Favorable 0,9 Pretensado Desfavorable 1,1 Reológicas Favorable 1 Reológicas Desfavorable 1 SCU Favorable 0 SCU Desfavorable 1 Viento Favorable 0 Viento Desfavorable 1 Ilustración 39. Tabla con los Coeficientes Parciales del ELS Combinación Frecuente. 71 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 5.3 Coeficientes de Combinación de las Acciones Variables Coeficientes de Combinación Acciones Coeficientes SCU Vehículos Pesados ψ0 SCU Vehículos Pesados ψ1 SCU Vehículos Pesados ψ2 SCU Sobrecarga Uniforme ψ0 SCU Sobrecarga Uniforme ψ1 SCU Sobrecarga Uniforme ψ2 Viento Persistente ψ0 Viento Persistente ψ1 Viento Persistente ψ2 Viento Construcción ψ0 Viento Construcción ψ1 Viento Construcción ψ2 Valores 0,75 0,75 0 0,4 0,4 0 0,6 0,2 0 0,8 0 0 Ilustración 40. Coeficientes de Combinación de las Acciones Variables. 5.4 Combinaciones de Carga Favorable VIENTO Desfavorable ELU CONSTRUCCIÓN Favorable SCU CONSTRUCCIÓN Desfavorable Favorable VIENTO Desfavorable ELU SERVICIO Favorable SCU SERVICIO Desfavorable 72 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Favorable VIENTO Desfavorable ELU CONSTRUCCIÓN CARACTERÍSTICA Favorable SCU CONSTRUCCIÓN Desfavorable Favorable VIENTO Desfavorable ELU CONSTRUCCIÓN FRECUENTE Favorable SCU CONSTRUCCIÓN Desfavorable Favorable VIENTO Desfavorable ELU SERVICIO CARACTERÍSTICA Favorable SCU SERVICIO Desfavorable 73 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Favorable VIENTO Desfavorable ELU SERVICIO FRECUENTE Favorable SCU SERVICIO Desfavorable 6. MODELO DE MIDAS CIVIL 6.1 Introducción En la siguiente parte del proyecto se describirá los pasos que se han seguido para introducir el puente dentro del programa. No pretende ser un tutorial del programa, tan solo un recorrido por el procedimiento que se ha seguido. El programa que se va a utilizar para el análisis y dimensionamiento del puente será el Midas Civil. El puente de este proyecto recoge el método de construcción por voladizos sucesivos con dovelas prefabricadas. Para su realización se hará uso de la ayuda del tutorial número 5 del Midas Civil que versa sobre el método general de construcción por voladizos sucesivos con dovelas hormigonadas “in situ”. Se escoge el método general y no el wizard debido a que el método general permite más libertades, sobre todo a la hora de diferenciar la situación del puente en construcción y en servicio. Este proyecto tendrá las diferencias existentes entre la prefabricación y las dovelas hormigonadas “in situ” en el sentido de edad del hormigón, duración de las fases, sobrecargas sobre la estructura durante la construcción. Aparte de hacer uso del tutorial para definir las fases de construcción, se realizarán una serie de acciones que no figuran en él. Estas son, además de la diferencia de edad para las dovelas prefabricadas, la situación del puente en servicio, la aplicación de sobrecargas debidas al tráfico, la acción del viento durante la construcción y durante el servicio, y la combinatoria de cargas según la Instrucción IAP, tanto en construcción (por fases) como en servicio. De esta manera se podrán hacer las comprobaciones pertinentes para un puente más cercano a la realidad. 74 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.2 Unidades Previo a cualquier acción que defina el puente, se deben establecer las unidades con las que se trabajará. Las unidades que se han escogido son: ݀ݑݐ݅݃݊ܮ՜ ݉Ǥ ܽݖݎ݁ݑܨ՜ ݇ܰǤ De esta forma, las tensiones se expresarán en kPa, y los momentos en kN·m. 6.3 Definición de la Sección y las Propiedades de los Materiales Se definirán 3 materiales diferentes: 1) Tablero à Será de hormigón con resistencia C50/60. Y una densidad de 25 kN/m3. 2) Pila à Del mismo material que el tablero pero de defina de forma separada para poder asignar los elementos de la pila a dicho material. 3) Tendón à Se trata de un material definido por el usuario. Tiene un Módulo de Elasticidad de 2·108 kPa, un coeficiente de Poisson de 0.3, un coeficiente térmico de 10-5 C-1, una densidad de 78.5 kN/m3. El siguiente paso es la definición de las distintas secciones que compondrán los elementos del puente. Se tendrán en cuenta tantos las secciones del tablero como las secciones de la pila. Para las secciones de canto variable existe una opción que es la de Tapered Group que consiste en la definición de la sección del centro y la sección del apoyo, la unión entre ambas con una variación parabólica del canto en el eje “z” y variación lineal en el eje “y”. Lo mismo ocurre con la pila para el tramo que tiene de variación del canto. 6.4 Modelo Estructural Previo a la asignación de las secciones a los elementos es precisa la creación de los nodos que definirán a los elementos. Los elementos representarán las dovelas del tablero y las secciones de la pila. Por tanto, el tablero estará discretizado en las dovelas del apoyo de 4 metros, las dovelas de los voladizos de 3 metros, salvo la dovela 13 de los voladizos centrales que mide 2.5 metros y la clave que mide 1 metro. La clave se divide en dos elementos de 0.5 metros que pertenece cada uno a un voladizo central. El modelo tiene un total de 121 nodos, que se dedican de unir los 118 elementos de tipo viga que componen el puente. 75 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Las imágenes del puente son las siguientes: En el alzado del puente se puede distinguir la variación del canto en el tablero. Ilustración 41. Alzado del Puente. En el perfil del puente se puede observar la variación de canto de la pila. Ilustración 42. Perfil del Puente. En la planta del puente se pueden ver las dimensiones del tablero. Ilustración 43. Planta del Puente. 76 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Finalmente se ha escogido una vista tridimensional del puente donde se pueda apreciar el mismo de forma completa. Ilustración 44. Vista Tridimensional del Puente. Es menester decir que la longitud de los elementos que definen las pilas es de 2 metros. De esta manera, la variación de canto de la sección de la pila que pasa de 6 metros a 9 metros se desarrolla en 3 elementos de 2 metros, puesto que el tramo de sección variable mide 6 metros. 6.5 Grupos Estructurales Una vez que se tiene definida la geometría del puente y todos los elementos tienen asignados un tipo de material, se deben definir los grupos estructurales. La definición de estos grupos permitirá la activación de cada dovela en cada fase de construcción, con independencia de las otras. Ilustración 45. Grupos Estructurales. 77 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Dentro de los grupos estructurales de las pilas se introducen todos los elementos que componen las pilas. Dentro de los grupos estructurales de los apoyos, se encuentran todos los elementos que componen las dovelas de las pilas. Dentro de los grupos estructurales P1Seg se encuentran todas las dovelas que componen los voladizos que despliegan desde la pila 1. Así, por ejemplo, el grupo P1Seg1, se refiere a la primera dovela que se sitúa después de la dovela de pila, tanto la dovela que pertenece al vano lateral como la dovela que pertenece al vano central. De la misma forma, los elementos que se encuentran dentro del grupo estructural P2Seg, son los pertenecientes a los voladizos que parten de la pila 2. Por último, se introduce el grupo estructural de la clave. 6.6 Grupos de Condiciones de Contorno Los grupos de condiciones de contorno se pueden clasificar en dos tipos: condiciones de contorno y condiciones de enlace. Mientras que las condiciones de contorno tratan de definir los movimientos permitidos en los extremos del puente con el contorno exterior, es decir, estribos y cimientos, las condiciones de enlace definen la relación de movimientos condicionados de los elementos donde se establece la unión, es decir, la unión entre la cabeza de pila y el apoyo del tablero. Es menester decir que la unión de la pila con el apoyo en construcción es diferente a la unión en servicio. En construcción la unión debe ser rígida para evitar el vuelco de los voladizos que se están construyendo, puesto que la única unión de los mismos es la pila. En cambio, en servicio resulta diferente. Cuando se apoyan los voladizos en los estribos, el enlace de la dovela de pila con la pila se puede sustituir por los apoyos de neopreno que estarán durante toda la vida útil del puente. 6.6.1 Condiciones de Contorno de los cimientos de las pilas En la realidad, los cimientos de las pilas se constituyen de losas de cimentación con pilotes. Estos pilotes anclados en el terreno son dimensionados en función de los esfuerzos que recibirán de las pilas y en función del tipo de terreno. Estos pilotes pueden sufrir cierto porcentaje de asiento. Siempre se procura que el porcentaje sea muy pequeño para que no haya asientos diferenciales entre pilas. A efectos de este proyecto, se considera que las pilas se encuentran empotradas en su base, lo que quiere decir que no tendrá lugar ningún tipo de asiento ni ningún tipo de rotación. Esta situación está próxima a la realidad en el caso de que el suelo fuese muy rígido. 78 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Estas son las condiciones de contorno de las pilas. Condiciones de Contorno Pilas Movimientos Permitido DX No DY No DZ No RX No RY No RZ No Ilustración 46. Tabla con las Condiciones de Contorno de las Pilas. La siguiente imagen representa las condiciones de contorno de las pilas: Ilustración 47. Condiciones de Contorno de las Pilas. 6.6.2 Condiciones de Contorno del Estribo 1 Se denomina Estribo 1 al estribo de la izquierda según el sentido del eje longitudinal del puente. Este estribo es igual que el Estribo 2 salvo que se impiden los desplazamientos según el eje “x”. Condiciones de Contorno Estribo 1 Movimientos Permitido DX No DY No DZ No RX No RY Sí RZ No Ilustración 48. Tabla de Condiciones de Contorno del Estribo 1. 79 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La representación del estribo según el programa: Ilustración 49. Condiciones de Contorno del Estribo 1. 6.6.3 Condiciones de Contorno del Estribo 2 En este caso sí se permiten los desplazamientos del eje “x”, de manera que el tablero se pueda desplazar en dicha dirección por causa de las cargas horizontales del tráfico, las cargas longitudinales del viento, los esfuerzos de fluencia y retracción que provocan deformaciones en el tablero. Condiciones de Contorno Estribo 2 Movimientos Permitido DX Sí DY No DZ No RX No RY Sí RZ No Ilustración 50. Tabla de Condiciones de Contorno del Estribo 2. 80 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La imagen que representa dicha condición de contorno: Ilustración 51. Condiciones de Contorno del Estribo 2. 6.6.4 Unión Pila-Tablero Construcción En la construcción, dicha unión será rígida, para garantizar el comportamiento monolítico en la intersección. La manera que tiene el programa de establecer dicha unión es definiendo un enlace elástico de tipo rígido entre dos nodos. En este caso une los nodos que definen las cabezas de las dos pilas con el nodo que define cada apoyo. En la imagen se puede ver dicha unión. Ilustración 52. Condición de Unión Pila-Tablero en Construcción. 81 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Un detalle de la unión es el siguiente: Ilustración 53. Detalle de la Unión Pila-Tablero en Construcción. 6.6.5 Unión Pila-Tablero Servicio La unión en servicio se establecerá mediante un enlace rígido donde se pueden establecer los movimientos que son compatibles entre la pila y el tablero. Condiciones de Contorno Unión Pila-Tablero Servicio Movimientos Compatible DX No DY Sí DZ Sí RX Sí RY No RZ No Ilustración 54. Tabla con las Condiciones de Contorno de Unión Pila-Tablero en Servicio. Se puede ver en la imagen dicha unión rígida: Ilustración 55. Unión Pila-Tablero En Servicio. 82 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.7 Grupos de Carga Los grupos de carga son necesarios para que se le puedan atribuir las cargas a los elementos, tanto en las fases de construcción como en servicio. En primer lugar se definen los casos de cargas estáticas. Cada una de estas cargas será de un tipo distinto. Algunas de ellas pertenecerán a cargas definidas en las fases de construcción, y otras de ellas tendrán otro tipo de definición con la intención de que al hacer las combinaciones de carga en construcción y servicio, se puedan multiplicar por los coeficientes de combinación correspondientes. Así quedan estos casos de carga estática: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Peso Propio Cargas Muertas Pretensado Superior Pretensado Inferior Pretensado Inferior Viento Trans Hoz CS Viento Trans Vert CS Viento Long CS Carretón Carro de avance Peso H. Fresco SCU Construcción Tiempo Viento Trans Hoz Serv Viento Trans Vert Serv Viento Long Servicio CASOS DE CARGA ESTÁTICOS Construction Stage Load (CS) Dead Load of Component and Attachments (DC) Construction Stage Load (CS) Construction Stage Load (CS) Construction Stage Load (CS) Wind Load on Structure (W, WS) Wind Load on Structure (W, WS) Wind Load on Structure (W, WS) Construction Stage Load (CS) Construction Stage Load (CS) Construction Stage Load (CS) Construction Stage Load (CS) Construction Stage Load (CS) Wind Load on Structure (W, WS) Wind Load on Structure (W, WS) Wind Load on Structure (W, WS) Ilustración 56. Tabla con los Casos de Carga Estáticos. 83 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu A continuación se definen los grupos de cargas. Ilustración 57. Grupos de Cargas. 84 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.8 Definición de las Fases de Construcción La discretización del problema por fases de construcción permite obtener los resultados de la acción de las cargas actuantes en cada fase. Por tanto, en cada una de las fases se puede realizar las comprobaciones de Estado Límite de Servicio y Estado Límite Último para verificar que el puente cumple estas comprobaciones en todas sus fases. Estas fases se definirán tal y como se darán en la construcción real, asumiendo desde el primer momento que se trata de un proyecto académico. Se procurará definir las fases lo más semejantes a las fases constructivas de un puente construido por voladizos sucesivos. De esta manera, se distinguen 18 fases en este proyecto. A continuación se procederá a la explicación de cada una de las fases. 6.8.1 Fase 1 Esta fase se caracteriza por la existencia de las pilas y las dovelas de las pilas. Se le atribuye a las pilas una edad de 100 días, edad tal que la capacidad resistente de las pilas es la del proyecto. Por otro lado, considerando que las dovelas son prefabricadas, la edad del hormigón de las dovelas que llegan a obra es de 60 días. A su vez, la fase se caracteriza por estar sometida a las sobrecargas de uso de construcción, las componentes del viento, el peso propio de la estructura, el carretón que permite colocar las siguientes dovelas. Internamente, se coloca el pretensado superior correspondiente a las dovelas de pila. Como están activadas en la primera fase las dovelas de pila y las pilas, se debe activar las condiciones de contorno de la base de las pilas y las condiciones de enlace en construcción de las pilas con el tablero. La duración de esta fase es de 1 día. Se entiende que el pretensado se puede colocar en medio día. 6.8.2 Fase 2 La fase 2 se caracteriza por la colocación de la primera dovela adjunta a la dovela de pila. Estas dovelas tendrán también una edad inicial de 60 días. Se activarán las cargas de peso propio, viento, sobrecarga de uso en construcción y el pretensado superior de las nuevas dovelas. Se desactivarán las cargas de viento longitudinal de las dovelas de pila puesto que al colocar la nueva dovela, el frente de viento longitudinal deja de incidir en la dovela de pila para incidir en la cara de la nueva dovela que se encuentra al aire libre. De la misma manera, se debe desactivar la carga del carretón sobre las dovelas de pila puesto que este cambia de posición preparado para colocar la dovela 2 que se adjuntará en la fase 3 a la dovela 1. Al desactivar estas cargas, se activan las cargas de viento longitudinal y carretón en la nueva posición. 85 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La duración de esta fase es de 1 día. Este procedimiento se sigue hasta la fase 14, que coincide con la colocación de la dovela 13. 6.8.3 Fase 15 La fase 15 se distingue por la ejecución de ambos estribos, dejando los vanos laterales apoyados en el otro extremo, produciéndose la transición de los voladizos a los tramos apoyados. En esta misma fase se coloca el pretensado inferior lateral, para que pueda asumir los momentos positivos. Los voladizos centrales aun no se encuentran unidos puesto que falta el hormigonado de la clave. Se desactiva la carga de viento longitudinal de las dovelas número 13 y la carga del carretón sobre las dovelas 13. 6.8.4 Fase 16 La fase 16 consta en el hormigonado de la dovela clave. Esta de momento no figura como elemento estructural, sino que transmite unas carga vertical negativa y un momento en la dovela 13 equivalente a la carga de peso del hormigón fresco con una excentricidad de 0.5 m, asumiendo que el peso del hormigón fresco está aplicado en el centro de la clave. Para hormigonar la clave es preciso activar la carga del carro de avance, que es aquel carro con los encofrados pertinentes para la clave. Se aplican en la dovela 13. Esta fase dura 5 días que es el tiempo que tarda la clave en curarse. 6.8.5 Fase 17 Se trata de la activación de la clave como elemento estructural que desarrolla la unión entre los dos voladizos centrales. Se le aplica la sobrecarga de uso de construcción y las componentes del viento. Se desactiva por otro lado las cargas del carro de avance y del peso del hormigón fresco. Se realiza el pretensado inferior central. Y se cambia el enlace de construcción entre pila y tablero, por el enlace definitivo. La duración de esta fase es de 1 día. 6.8.6 Fase 18 Es la última fase de construcción. Se caracteriza por la eliminación de las cargas de viento que actúan durante la construcción y activar las que actúan en servicio. Además se elimina la sobrecarga de uso en construcción. Se activan las cargas muertas (barandilla y rodadura). Esta etapa dura 10000 días y se corresponde con la situación en servicio. Sobre ella se podrá definir la sobrecarga de uso del tráfico. A continuación se mostrará la evolución de las fases por imágenes. 86 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 58. Fase 1. Ilustración 59. Fase 2. Ilustración 60. Fase 3. 87 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 61. Fase 4 Ilustración 62. Fase 5 Ilustración 63. Fase 6. 88 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 64. Fase 7. Ilustración 65. Fase 8. Ilustración 66. Fase 9. 89 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 67. Fase 10. Ilustración 68. Fase 11. Ilustración 69. Fase 12. 90 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 70. Fase 13. Ilustración 71. Fase 14. Ilustración 72. Fase 15. 91 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 73. Fase 16. Ilustración 74. Fase 17. Ilustración 75. Fase 18. 92 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.9 Introducción de las Cargas 6.9.1 Carga de Peso Propio Esta carga es la primera que se introduce. Se define en la base, de manera que actuará cada vez que se active un elemento estructural. Se activa con el comando Self Weight. 6.9.2 Pretensado Superior En primer lugar se definen las propiedades del tendón. Ilustración 76. Propiedades del Tendón Superior. El área es el equivalente a los tendones de 7 cordones. Las pérdidas por fricción se calculan mediante la siguiente expresión, según el catálogo de pretensado interior de BBR [10]: En el pretensado superior, los coeficientes tienen los siguientes valores: ߤ ൌ ͲǤʹͳି ݀ܽݎଵ 93 Trabajo Fin de Grado Para construcción por fases: María Luiza Nancu Nancu ݇ ൌ ͲǤͲͲ ݀ܽݎൗ݉Ǥ ݈ܵ݅ ݁݃ܽݎ݄ܿ݊ܽൌ ݉݉Ǥ A continuación se define el trazado de cada uno de los tendones de acuerdo a las tablas de Excel que se han obtenido de las coordenadas del Autocad. Estas tablas figurarán en el Anexo. Estos son los puntos correspondientes a los tendones de las dovelas de los voladizos correspondientes a la pila 1 que se extienden por el alma izquierda. Con estos puntos y el programa se pueden hacer los simétricos respecto al eje “x” y simétricos respecto al eje “y” para tener el pretensado superior en ambas almas en las dos pilas. El pretensado se realiza por ambos lados en todas las dovelas salvo las dovelas de apoyo que se tesan por uno solo. La tensión de tesado es un 75% de la de rotura: ݂௧௦ௗ ൌ ͲǤͷ ݂௨ ൌ ͲǤͷ ͳͺͲ ܽܲܯൌ ͳ͵ͻͷܽܲܯǤ Las imágenes del pretensado superior donde se aprecia mejor el trazado son la planta y el alzado. Ilustración 77. Planta Pretensado Superior. Ilustración 78. Alzado Pretensado Superior. Se puede observar que sigue el mismo trazado que el obtenido en Autocad puesto que al definir muchos puntos se condiciona el paso del trazado por los mismos, manteniendo prácticamente el mismo trazado. 94 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Un detalle del alzado del pretensado superior: Ilustración 79. Detalle Pretensado Superior. 6.9.3 Pretensado Inferior Lateral Se trata del pretensado inferior que se realiza en los vanos laterales cuando estos se apoyan en los estribos. Las propiedades del tendón que conforma el pretensado inferior lateral son las siguientes: Ilustración 80. Propiedades Tendón Inferior Lateral. 95 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu El coeficiente de fricción cambia debido a que se trata de tendones de 19 cordones. De la misma forma que el pretensado superior, el pretensado inferior lateral se introduce por puntos a los cuales se les harán los simétricos en el mismo programa. Las coordenadas de los puntos figuran en el Anexo. El pretensado se realiza por ambos lados en todas las dovelas. La tensión de tesado es un 75% de la de rotura: ݂௧௦ௗ ൌ ͲǤͷ ݂௨ ൌ ͲǤͷ ͳͺͲ ܽܲܯൌ ͳ͵ͻͷܽܲܯǤ El alzado y la planta del pretensado inferior lateral son los siguientes: Ilustración 81. Alzado Pretensado Inferior Lateral. Ilustración 82. Planta Pretensado Inferior Lateral. 96 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los detalles del alzado y planta del pretensado inferior lateral son los siguientes: Ilustración 83. Detalle Alzado Pretensado Inferior Lateral. Ilustración 84. Detalle Planta Pretensado Inferior Lateral. 6.9.4 Pretensado Inferior Central El pretensado inferior central se sitúa en el vano central y se coloca una vez se haya hormigonado y curado la clave. De esta manera podrá resistir los momentos positivos que tengan lugar en el vano. 97 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Las propiedades del tendón que compone el pretensado inferior central son las siguientes: Ilustración 85. Propiedades Tendón Inferior Central. Son las mismas propiedades que el pretensado inferior lateral puesto que son tendones de 19 cordones. Es posible que se tenga que modificar el pretensado una vez se haya realizado el análisis. De la misma forma que el pretensado inferior lateral, el pretensado inferior central se introduce en el programa por medio de unos puntos. Tras introducirlos, se realizan los respectos simétricos. En este caso, solo se realiza el simétrico respecto al eje “x” puesto que el pretensado solo se localiza en el vano central. Las coordenadas de los puntos del pretensado inferior central están en el Anexo. El pretensado se realiza por ambos lados en todas las dovelas. La tensión de tesado es un 75% de la de rotura: ݂௧௦ௗ ൌ ͲǤͷ ݂௨ ൌ ͲǤͷ ͳͺͲ ܽܲܯൌ ͳ͵ͻͷܽܲܯǤ 98 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Las imágenes del alzado y planta del pretensado inferior central son las siguientes: Ilustración 86. Alzado Pretensado Inferior Central. Ilustración 87. Planta Pretensado Inferior Central. El detalle de la planta: Ilustración 88. Detalle de la Planta del Pretensado Inferior Central. 99 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.9.5 Carga de Viento Las cargas de viento se calcularán conforme a la Instrucción IAP-11 [8]. Antes de calcular el empuje del viento sobre el tablero o la pila en las distintas direcciones, se debe calcular la velocidad básica y media del viento según la localización del puente. 6.9.5.1 Velocidad Básica del Viento Se define la velocidad básica fundamental del viento como la velocidad media a lo largo de un período de 10 minutos con independencia de la dirección que lleve el viento y de la época del año, medida a 10 metros sobre el suelo. La medición se realiza para un período de retorno de 50 años. Esta velocidad básica fundamental del viento se verá afectada por unos factores que tienen en cuenta la direccionalidad y la estación del año. Con esto se puede calcular la velocidad básica del viento. Donde: ݒ ൌ ܿௗ ܿ௦௦ ݒǡ ݒ ሺ݉Τݏሻ à Velocidad básica del viento para un período de retorno de 50 años. ܿௗ à Factor de direccionalidad del viento. Se puede tomar un valor de 1 en el caso de que no se hayan realizado estudios más exhaustivos. ܿ௦௦ à Factor que tiene en cuenta la estación del año. A falta de estudios más concretos, se puede tomar el valor de 1. ݒǡ ሺ݉Τݏሻ à Velocidad básica fundamental del viento según el mapa de isotacas. Ilustración 89. Mapa de isotacas [8]. 100 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Según el lugar donde se localiza el puente del proyecto, la zona que le corresponde es la denominada Zona A. Esta Zona A tiene una velocidad básica del viento de: ݒ ൌ ʹ݉Ȁݏ Las hipótesis que se han adoptado para la realización del proyecto son: · · Se calcula para un período de retorno de 50 años del puente. Para construcción se ha seguido adoptando la misma velocidad del viento para un período de retorno de 50 años. Se debería utilizar un período de retorno de correspondiente a los meses que dura la construcción. Pero puesto que el viento es más desfavorable para un período de retorno de 50 años, no se hace distinción entre la construcción y el servicio en cuestión de viento. 6.9.5.2 Velocidad Media del Viento Se trata de la velocidad a cierta altura “z” sobre el terreno. En este caso influye la situación topográfica del terreno, la rugosidad y los obstáculos que se localicen. ݒ ሺݖሻ ൌ ܿ ሺݖሻ ܿ ݒ ሺܶሻ Donde: ݒ ሺݖሻ à Velocidad media del viento (m/s). ݒ ሺܶሻ à Velocidad básica del viento para un período de retorno T (m/s). ܿ à Factor de topografía. Habitualmente se toma el valor de 1. ܿ ሺݖሻ à Factor de rugosidad. ݖ ܿ ሺݖሻ ൌ ݇ ൬ ൰ ݖܽݎܽ ݖÀ ݖ Siendo: ܿ ሺݖሻ ൌ ܿ ሺݖÀ ሻ ݖܽݎܽ൏ ݖÀ ݖà Altura de cálculo donde se considera el empuje del viento (m). ݇ à Factor del terreno. ݖ à Longitud de la rugosidad. ݖÀ à Altura mínima. Se escoge un terreno tipo II: zona rural con vegetación baja y obstáculos aislados (por ejemplo árboles), con separaciones de al menos 20 veces la altura de los obstáculos. Los coeficientes se definen en la siguiente tabla: 101 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 90. Tabla de Coeficientes según el tipo de entorno [8]. 6.9.5.3 Empuje del Viento El empuje del viento se calculará de forma separada para cada elemento del puente. De esta manera, en la construcción evolutiva se podrá activar la componente del viento que actúa sobre los elementos que se van añadiendo a la estructura existente a medida que se desarrollan las fases. Hay que tener en cuenta una serie de situaciones: · · El área expuesta al viento puede cambiar si actúan otras acciones. Este es el caso que diferencia el viento en las fases de construcción del viento en servicio puesto que la superficie de exposición del viento en servicio es mayor ya que se cuenta la presencia de los vehículos del tráfico que transita por el puente. Así pues, se hará distinción entre el viento en construcción y el viento en servicio. Por otro lado, en situaciones transitorias algunos elementos pueden presentar superficies de exposición diferentes a las definitivas. Como es el caso del viento longitudinal que incide en la sección cajón del tablero en construcción mientras que en servicio el viento longitudinal actúa como un rozamiento en la superficie del tablero. A efectos de simplificación de cálculo del empuje del viento, se tendrá en cuenta el valor del empuje del viento para la altura más alta a la que está aplicado. De esta manera, la carga de viento se introducirá en el programa como una carga estática repartida, definida por elementos. La expresión general del empuje del viento es la siguiente: Donde: ͳ ܨ௪ ൌ ߩ ݒଶ ሺܶሻ൨ ܥ ሺݖሻ ܥ ܣ ʹ ܨ௪ à Empuje del viento (N). ଵ ଶ ߩ ݒଶ ሺܶሻ à Presión de la velocidad básica del viento ݍ (N/m2). ߩ à Densidad del aire, de valor igual a 1.25 kg/m3. ݒ ሺܶሻ à Velocidad básica del viento (m/s) para un período de retorno de T años. 102 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu ܥ à Coeficiente de fuerza del elemento considerado. ܣ à Área de referencia, que se obtendrá como la proyección del área sólida expuesta sobre el plano perpendicular a la dirección del viento (m 2). ܥ ሺݖሻ à Coeficiente de exposición. 6.9.5.4 Empuje del Viento Transversal en las Pilas El empuje transversal en las pilas será el mismo para construcción que para el servicio. Se calcula el empuje correspondiente a la máxima altura de la pila: 60 m. El área de referencia son los 4 metros de ancho de la pila por los 60 metros de altura de la pila. El coeficiente de fuerza se calcula de acuerdo a lo siguiente: Ilustración 91. Tabla de Cálculo del Coeficiente de Fuerza [8]. ܤ݉ ʹǤͳ ͳǤͷ ൌ ൌ ͳǤͷ אሾͳ െ ʹሿ ՜ ܥ ൌ ൌ ͳǤͺͷ ݄ Ͷ݉ ʹ En cuanto al coeficiente de exposición, se calcula para la altura z=60 m. ݖ ݖ ܥ ሺݖሻ ൌ ݇ଶ ܥଶ ݈݊ଶ ൬ ൰ ݇ ܥ ݈݊ ൬ ൰൨ ݖ ݖ Ͳ Ͳ ൰ ͳ ͳ ݈݊ ൬ ൰൨ ൌ ͲǤͳͻଶ ͳ ݈݊ ଶ ൬ ͲǤͲͷ ͲǤͲͷ Los cálculos y resultados se podrán ver en el Anexo. 6.9.5.5 Empuje del Viento Longitudinal en las Pilas Los cálculos son los mismos que los anteriores salvo que se coge las dimensiones de la superficie de exposición de la pila ante el viento en la dirección longitudinal. Los resultados figuran en el anexo. 6.9.5.6 Empuje del Viento Transversal Horizontal sobre el Tablero Se trata del empuje del viento que empuja en la dirección transversal al tablero cuya componente es horizontal, es decir, contenida en el plano x-y. 103 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu El empuje se calculará para cada elemento puesto que la superficie de exposición es diferente, y se activará en el momento en el que se activa el elemento en la construcción por fases. En servicio, se le añadirá a la superficie de exposición la altura de los vehículos del tráfico. Esta altura será de 2 metros. Según la normativa la aplicación del empuje del viento transversal horizontal en tableros de alma llena es a un 40% del canto medio de cada elemento medido desde la superficie del tablero. Esta excentricidad permite tener en cuenta el momento de vuelco que el viento ocasiona sobre el tablero. Para construcción, la altura considerada del viento es la altura del tablero: z = 65 m. Mientras que en servicio es de 67 metros puesto que se considera la sobrecarga de uso debida al tráfico. Para el empuje horizontal, el coeficiente de fuerza sigue la siguiente expresión: ܥǡ௬ ൌ ʹǤͷ െ ͲǤ͵ ቆ ܤ ቇ ݄ Mientras que el coeficiente de exposición ܥ ሺݖሻ se calcula con la misma expresión que se ha utilizado para la pila. Los resultados están en el Anexo. 6.9.5.7 Empuje del Viento Transversal Vertical sobre el Tablero El empuje vertical se calcula con la misma expresión que la general, teniendo en cuenta las dimensiones de la superficie de exposición. Para tener en cuenta el momento de vuelco del tablero, la carga vertical se aplica con una excentricidad equivalente de un cuarto de la anchura del tablero hacia el borde de barlovento. El coeficiente de fuerza toma un valor de 0.9, según la Instrucción IAP-11 [8]. La diferencia entre la construcción y el servicio es la altura de cálculo del empuje del viento. Los resultados figuran en el Anexo. 6.9.5.8 Empuje del Viento Longitudinal sobre el Tablero El empuje longitudinal será un 25% del valor del empuje transversal horizontal. En construcción se considera el 25% del empuje transversal de cada elemento y se aplica como una fuerza puntual en cada cara expuesta de las dovelas. En cuanto al viento longitudinal en servicio, será un 25% de la mayor fuerza transversal en servicio. Esta carga será una carga horizontal repartida en la dirección longitudinal del puente. Los cálculos y resultados están en el Anexo. 104 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La siguiente imagen representa el viento transversal horizontal en pilas y tablero durante la construcción, concretamente en la Fase 4. Ilustración 92. Viento Transversal Horizontal Fase 4. Esta imagen representa un detalle de las excentricidades del viento horizontal del tablero visto desde un perfil de la Fase 4. Ilustración 93. Excentricidades del Viento Transversal Horizontal Fase 4. La siguiente imagen muestra la distribución del viento horizontal en servicio en el tablero. Ilustración 94. Viento Horizontal en Servicio. 105 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Esta imagen muestra el empuje del viento vertical en construcción, en la Fase 11. Ilustración 95. Viento Vertical Fase 11. Esta otra imagen representa el viento vertical en servicio. Ilustración 96. Viento Vertical en Servicio. Esta imagen representa el viento longitudinal en construcción, en el tablero en la Fase 7. Se puede observar que se aplica perpendicular a la superficie de exposición al viento. Ilustración 97. Viento Longitudinal Fase 7. 106 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu En las pilas, el viento longitudinal es el mismo tanto en construcción como en servicio. Ilustración 98. Viento Longitudinal Pilas. Finalmente, el viento longitudinal en servicio en el tablero. Ilustración 99. Viento Longitudinal en el Tablero en Servicio. 6.9.6 Carretón Se denomina carretón a la estructura metálica en forma de pórtico que se ancla a las dovelas que están fijas y que permite la colocación de las nuevas dovelas. El carretón tiene una longitud de 18 metros e induce una carga de 35 kN/m. Además dentro del grupo de carga carretón se encuentra la carga de las dovelas que sustenta el pórtico. El peso de una dovela es de 400 kN y se aplica sobre la última dovela colocada con una excentricidad de 1.5 m (la mitad de la longitud de la dovela), es decir, induce un momento de 600 kN·m. Se dispondrá un solo carretón encima de cada pila hasta la Fase 3, donde se colocarán dos carretones de manera que a partir de la pila vayan avanzando al unísono colocando las dovelas pertenecientes a los voladizos laterales y centrales. 107 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Por ejemplo, la carga del carretón en la Fase 1 es la siguiente: Ilustración 100. Carga de Carretón Fase 1. Mientras que las cargas que inducen las dovelas número 1 suspendidas del carretón son: Ilustración 101. Carga Dovelas Suspendidas del Carretón. En esta imagen se puede observar las cargas que inducen los carretones en los extremos del voladizo, en la Fase 6: Ilustración 102. Cargas Carretones Fase 6. 108 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.9.7 Carro de Avance El carro de avance es aquel que permite hormigonar la clave. Precisa de encofrados para poder dar forma al hormigón fresco mientras se va curando. La carga del carro de avance estará aplicada en el extremo de uno de los voladizos centrales, en concreto el de la pila 1. El valor de dicha carga es de 800 kN y de un momento de 2000 kN·m. Por otro lado, se considerará el peso del hormigón fresco. En la imagen se puede ver la carga del carro de avance: Ilustración 103. Carga Carro de Avance. 6.9.8 Peso Hormigón Fresco El peso del hormigón fresco se traduce como una carga vertical y un momento debido a que no tiene capacidad estructural hasta que no haya curado. El peso del hormigón fresco es de: ࡼࡴǤࢌ࢘ࢋ࢙ࢉ ൌ Ǥ ࡺǤ Y el momento que induce en la dovela 13 donde se sitúa el carro de avance es de: ࡹࡴǤࢌ࢘ࢋ࢙ࢉ ൌ ͲǤͷ݉ ͵ͲʹǤʹ݇ܰ ൌ Ǥ ࡺ Ǥ Estos datos se pueden obtener con una herramienta que tiene el programa que se llama: Bill of Material. 6.9.9 Sobrecarga de Uso en Construcción Se asume una sobrecarga de uso en construcción, como pueden ser camiones situados en el tablero, personal, grúas y demás aparatos. Se considera un valor de la sobrecarga de uso en construcción de: 109 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu ࢃࡿࢁࢉ࢙࢚ ൌ ૡࡺȀǤ Se puede ver la imagen de la sobrecarga de uso en la Fase 17. Ilustración 104. Sobrecarga de Uso Construcción Fase 17. 6.9.10 Cargas Muertas Las cargas muertas son las correspondientes a la carga de la barandilla y la capa de rodadura. ܹௗ ൌ ʹͲ݇ܰȀ݉Ǥ ܹௗௗ௨ ൌ ʹ͵ǤͶ݇ܰȀ݉Ǥ ࢃࢇ࢘ࢍࢇ࢙ࡹ࢛ࢋ࢚࢘ࢇ࢙ ൌ ʹͲ ʹ͵ǤͶ ݇ܰ ൌ Ǥ ࡺȀǤ ݉ Se aplican en la Fase 18, que dura 10000 días. Afectarán a la fluencia y retracción del hormigón. Ilustración 105. Cargas Muertas Fase 18. Esta imagen representa las cargas muertas en la Fase 18. 110 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6.9.11 Sobrecarga de Uso en Servicio: Moving Loads El programa tiene la opción de representar la acción del tráfico rodado sobre la estructura, realizando las combinatorias de carga más desfavorables. Para introducir los datos, es preciso trabajar en la Base, puesto que los resultados no pertenecen a las fases de construcción, sino que pertenecen al Post-Proceso, como si fueran en servicio. Las cargas resultantes de este análisis se pueden combinar mediante combinaciones de carga para las comprobaciones del puente de servicio, tanto el Estado Límite de Servicio como el Estado Límite Último. Se definirán los carriles virtuales según indica la Instrucción IAP-11 [8]. En el caso de este proyecto se definirán 5 carriles virtuales de 3 metros, un área remanente de 0.8 metros y las barandillas de 0.6 metros cada una. La representación de cada uno de los carriles virtuales y del área remanente es la siguiente: Ilustración 106. Carril Virtual 1. Ilustración 107. Carril Virtual 2. 111 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 108. Carril Virtual 3. Ilustración 109. Carril Virtual 4. Ilustración 110. Carril Virtual 5. 112 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 111. Área Remanente. A continuación se define el modelo de carga número 1 según la IAP-11 [8], que recoge la mayoría de situaciones en las que se puede encontrar el tráfico. Además, se definen dos tipos de casos de carga de tráfico. La combinación frecuente y la combinación característica. De esta manera se podrá combinar la carga de tráfico en el Estado Límite de Servicio combinación característica y combinación frecuente. En la combinación característica se ignoran los factores de combinación ψ. Mientras que en la combinación frecuente sí se consideran. Los valores de dichos coeficientes son: ݄ܲܽ݁ݒܽݎÀܿ ݏ݀ܽݏ݁ݏ݈ݑ՜ ɗ ൌ ͲǤͷǤ ܲܽ ݏݑ݁݀ܽ݃ݎܽܿ݁ݎܾݏܽݎ՜ ɗ ൌ ͲǤͶǤ 6.10 Combinaciones de Carga Según la Instrucción IAP-11 [8] en un proyecto se deben realizar una serie de combinaciones de cargas, de manera que abarque las distintas situaciones por las que puede pasar una estructura. Las combinaciones de cargas son un grupo de cargas multiplicadas por una serie de coeficientes según la comprobación que se desee realizar, de manera que representan el estado más favorable o el estado más desfavorable de una estructura que se encuentra sometida bajo este grupo de acciones. Las comprobaciones que se pretenden realizar dependen de las condiciones en las que se encuentra la estructura. Así se definen una serie de situaciones por las que puede pasar el puente: · Estado Límite Último. Se trata de la situación de la estructura en la que esta falla y la dejan inoperativa. Esta situación se debe tener en cuenta admitiendo que las cargas 113 Trabajo Fin de Grado · María Luiza Nancu Nancu que se han calculado pueden ser superadas en algún momento y por tanto comprobar la estructura a rotura, a fenómenos de inestabilidad, de equilibrio y de fatiga. Estado Límite de Servicio. Se trata de la situación en la que la estructura no peligra pero deja de ser útil para la función para la que fue creada. Por tanto, se deben realizar comprobaciones de fisuración, deformaciones y vibraciones. Al realizarse combinaciones de carga, se asumen situaciones en las que una acción variable predomina sobre las demás. De esta manera, se engloban todas las posibilidades. A efectos de este proyecto, se considerarán las combinaciones para las comprobaciones de Estado Límite Último en la situación persistente (servicio) y transitoria (construcción). Y las combinaciones consideradas para las comprobaciones de Estado Límite de Servicio son la combinación característica (situación en la que se producen Estados Límite de Servicio irreversibles, es decir, que una vez superado, se mantiene de forma permanente el daño incluso si desaparece la acción que lo ha provocado), y la combinación frecuente (situación en la que se producen Estados Límite de Servicio reversibles). Las comprobaciones de Estado Límite de Servicio se realizarán tanto en construcción como en servicio. En las comprobaciones de Estado Límite de Servicio se tendrán en cuenta los efectos de primer orden del pretensado y los efectos hiperestáticos. Mientras que en Estado Límite Último, no se tienen en cuenta los efectos de primer orden, debido a que estos se han tenido en cuenta en el cálculo de la resistencia nominal. Por otro lado, los efectos de primer orden de la fluencia y la retracción no se tienen en cuenta en las combinaciones de carga debido a que el programa Midas Civil los utiliza para los desplazamientos. Las combinatorias se realizarán según se establece en la norma, utilizando los coeficientes apropiados para cada situación. 7. RESULTADOS 7.1 Introducción Una vez que se ha definido el modelo completo, las cargas actuantes, las condiciones de contorno por fases de construcción, es el momento de ejecutar el programa para obtener resultados y realizar las comprobaciones con las combinaciones de carga adecuadas y verificar que el puente cumple las condiciones de seguridad. En primer lugar se obtendrán esfuerzos y tensiones en las fases de construcción. Se ajustará el pretensado superior e inferior para no tener tracciones en la comprobación de Estado Límite de Servicio Frecuente. Mientras que por otro lado se dimensiona la armadura pasiva de manera que cumplan los Estados Límite Últimos de flexión, cortante y torsión. 114 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7.2 Fases de Construcción 7.2.1 Tensiones A continuación se mostrarán las tensiones en las distintas fibras de las secciones por fases. Las tensiones que se obtendrán tenderán a ser de tracción en las fibras superiores y de compresión en las fibras inferiores puesto que en las fases de construcción los momentos que tienen lugar en los voladizos son negativos, hasta el momento en el que se ejecutan los estribos y la clave, situación en la que el puente se encuentra apoyado y cambia las leyes de esfuerzos y por tanto, de tensiones. El pretensado superior se ajusta para que no haya tracciones en las fibras superiores del tablero en la situación de Estado Límite de Servicio Frecuente, ya que será el estado en el que se encontrará el puente la mayor parte del tiempo. No puede haber tracciones para que no haya apertura de la unión entre dovelas para evitar la entrada de humedad que pueda corroer la armadura activa. De esta manera, no es necesaria la comprobación de fisuración ya que no se permiten tracciones en ninguna situación. Tras sucesivas comprobaciones, se ha ajustado el pretensado superior al siguiente: Ilustración 112. Tabla con el Pretensado Superior Definitivo. 115 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Las tensiones en la fibra 1 de la Fase 1 son las siguientes: Ilustración 113. Tensiones en la Fibra 1 Fase 1.1 Se puede observar que en el tablero se producen compresiones. Por otro lado, la fibra 4 en la misma fase: Ilustración 114. Tensiones Fibra 4 Fase 1. Tampoco se producen tracciones. Por tanto, para la Fase 1 cumple, es decir, no se producen tracciones en las fibras del hormigón. Se pueden ver también las tensiones en la Fase 14, que se trata de la fase donde se coloca la última dovela de los voladizos. 116 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Las tensiones en la fibra 1 de la Fase 14 son las siguientes: Ilustración 115. Tensiones Fibra 1 Fase 14. En esta fase tampoco se producen tracciones en la fibra superior. Las tensiones en la fibra 4 de la misma fase: Ilustración 116. Tensiones Fibra 4 Fase 14. Cumple igualmente. Se pueden ver las tensiones en la Fase 15 al ejecutarse los estribos. 117 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu En la fibra 1 de la Fase 15: Ilustración 117. Tensiones Fibra 1 Fase 15. En la fibra 4 se puede observar que también cumple: Ilustración 118. Tensiones Fibra 4 Fase 15. Por último se escoge la Fase 17 cuando la clave adquiere capacidad resistente. Se puede observar que en las fibras superiores e inferiores cumple. Fibra 1: Ilustración 119. Tensiones Fibra 1 Fase 17. 118 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Fibra 4: Ilustración 120. Tensiones Fibra 4 Fase 17. En conclusión, el hecho de que no haya tracciones en la fibra 1 quiere decir que el pretensado superior está encajado para la construcción. Observando que en la fibra 4 de las fases más significativas no se producen tracciones, quiere decir que se ha encajado también el pretensado inferior definitivo, quedando de la siguiente manera: Pretensado Inferior Lateral Definitivo Dovela Tendones 8 10T de 7φ 0,6" 7y9 8T de 7φ 0,6" 6 y 10 6T de 7φ 0,6" 5 y 11 4T de 7φ 0,6" 3 y 13 2T de 7φ 0,6" Ilustración 121. Tabla con el Pretensado Inferior Lateral Definitivo. Pretensado Inferior Central Definitivo Dovela Tendones Clave 24T de 22φ 0,6" 13 22T de 22φ 0,6" 12 20T de 22φ 0,6" 11 18T de 22φ 0,6" 10 16T de 22φ 0,6" 9 14T de 22φ 0,6" 8 12T de 22φ 0,6" 7 10T de 22φ 0,6" 5 8T de 22φ 0,6" Ilustración 122. Tabla con el Pretensado Inferior Central Definitivo. 119 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7.2.2 Esfuerzos En este apartado es interesante observar la evolución de esfuerzos a los largo de las fases de construcción, desde la Fase 1 hasta la Fase 17, antes del servicio. Se trazará una gráfica donde figure dicha evolución. A continuación se mostrarán las situaciones más relevantes en materia de esfuerzos. En primer lugar se obtienen los esfuerzos de la Fase 1. En cuanto a la fuerza axial, se puede observar que describe dicho diagrama porque el pretensado induce unas compresiones muy elevadas en comparación con las que induce la carga de viento longitudinal de construcción. Esta compresión permite que las dovelas estén ancladas unas a otras de manera que la estructura actúa como una unidad, soportando así los esfuerzos a los que se ve sometida la estructura. Por ejemplo, las fuerzas axiales Fx en la Fase 1 en el Estado Límite de Servicio Frecuente tiene el siguiente aspecto: Ilustración 123. Esfuerzo Fx Fase 1. Las fuerzas de cortante en la dirección “y”, dirección transversal horizontal a la dirección longitudinal del tablero, no son muy grandes en comparación con el resto de esfuerzos de cortante y axiales. Esto es debido a que las cargas de viento que inciden en dicha dirección no son tan elevadas como las compresiones que induce el pretensado. El comportamiento del tablero ante cargas de viento transversales horizontales es el de un voladizo sometido a cargas repartidas en los elementos. En cuanto a los esfuerzos de cortante en la dirección transversal vertical del tablero, responden a la acción de las sobrecargas sobre el tablero: tanto la sobrecarga de uso, como el carretón; las cargas de viento transversal vertical, el peso propio de la estructura y la componente vertical del pretensado. La componente vertical del pretensado tiene la mayor importancia. 120 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Por ejemplo, los cortantes verticales en la Fase 1: Ilustración 124. Esfuerzo Fz Fase 1. Los momentos torsores están producidos por las fuerzas transversales horizontales y verticales aplicadas con cierta excentricidad. Estas fuerzas son las debidas al viento transversal horizontal y las debidas al viento transversal vertical. Se observará que los torsores en el tablero no son muy grandes debido a que dichas excentricidades son pequeñas. Esfuerzo torsor Mx en la Fase 1: Ilustración 125. Esfuerzo Mx Fase 1. Los momentos flectores con respecto a la dirección trasversal horizontal del tablero están influenciados por el momento de pretensado que debe contrarrestar las cargas de peso propio de la estructura, las cargas de viento verticales, las sobrecargas de uso y carretón. La forma de actuar del pretensado es creando momentos positivos que controlen que los momentos negativos que inducen el resto de cargas no produzcan tracciones en las fibras superiores del tablero en primera instancia. Posteriormente se debe realizar la comprobación a rotura comparando con el momento último de la sección. En base a esta segunda comprobación se aumentará el pretensado en caso de que sea necesario. 121 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Se observará que en las primeras fases tiene mayor influencia en pretensado, hasta llegada cierta fase en la que comienzan a surgir momentos negativos. Aunque ninguno de ellos produce tracciones en la fibra superior. Por tanto, son admisibles. Los momentos flectores en la Fase 1: Ilustración 126. Esfuerzo My Fase 1. Los momentos flectores en la dirección vertical al tablero del puente son pequeños en comparación con los momentos flectores en la dirección transversal horizontal. Estos son el resultado de la acción en la dirección transversal horizontal, como puede ser el viento en dicha dirección. A continuación se presentarán los esfuerzos en la Fase 14, siendo representativa puesto que se trata de la colocación de la última dovela de los voladizos, creándose la peor situación para los mismos. Se puede observar que los axiles siguen siendo de compresión debido al pretensado. El axil en la dovela de apoyo incrementa su valor por fases debido a que a medida que se añaden dovelas, se van añadiendo tendones para adjuntarlas. De esta manera va creciendo la compresión inducida por el pretensado en cada fase. Ilustración 127. Esfuerzo Fx Fase 14. 122 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los cortantes en la dirección transversal horizontal siguen aumentando debido al tamaño del voladizo. Los cortantes verticales se ven muy influenciados por el pretensado. No hay que olvidar que los diagramas son el resultado de la combinación de acciones afectadas por distintos coeficientes según establece la norma. Ilustración 128. Esfuerzo Fz Fase 14. En cuanto al torsor, su valor se va incrementando, como se esperaba. Ilustración 129. Esfuerzo Mx Fase 14. Se puede observar que en el diagrama de momentos flectores en torno al eje “y” tienen mayor importancia los momentos negativos. Esto quiere decir que para la combinación de carga que se analiza en la Fase 14 de construcción, el pretensado tiene menor efecto para contrarrestar los momentos negativos. Se puede pensar que el hecho de que existan momentos negativos implique que el pretensado no es válido. Pero si se observan las tensiones para la misma combinación, se observa que no se producen tracciones en la fibra superior, aun habiendo momentos negativos. Esto quiere decir que el pretensado es el correcto porque no produce tracciones en la fibra superior y que no está sobredimensionado como ocurría para la Fase 1 puesto que existen momentos negativos. 123 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 130. Esfuerzo My Fase 14. En cuanto a los momentos flectores alrededor del eje vertical “z”, los momentos siguen aumentando debido al tamaño de los voladizos y debido a que actúa mayor carga distribuida de viento en la dirección transversal horizontal. Es interesante observar la Fase 15 cuando se ejecutan los estribos, debido a que las condiciones de contorno para los voladizos laterales cambian. Los axiles disminuyen un poco en esta fase con respecto a la anterior. Hay que tener en cuenta que en esta fase no solo se activan los estribos, sino que también se introduce en pretensado inferior lateral. Esto afectará a los momentos flectores. Ilustración 131. Esfuerzo Fx Fase 15. En cuanto a los cortantes en la dirección transversal horizontal, el valor en el extremo del voladizo central es nulo, puesto que sigue permaneciendo como voladizo ya que no se ha hormigonado la clave. Pero en los estribos, el valor deja de ser nulo debido a que está impedido dicho desplazamiento en ese sentido. En los cortantes verticales ocurre lo mismo que en los cortantes horizontales, en los voladizos centrales el valor extremo es nulo, mientras que en los voladizos laterales el valor extremo no lo es ya que se encuentra impedido el movimiento en dicha dirección. 124 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 132. Esfuerzo Fz Fase 15. Con los torsores ocurre la misma situación. Ilustración 133. Esfuerzo Mx Fase 15. En los momentos flectores hay que tener en cuenta que el pretensado inferior lateral hace que haya mayores momentos negativos y que disminuya el valor de los positivos. Ilustración 134. Esfuerzo My Fase 15. 125 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu En cuanto a los momentos flectores en el eje vertical, ocurre lo mismo debido a las condiciones de contorno. En esta fase es interesante observar cómo cambian los esfuerzos de fluencia y retracción. En el resto de fases, los esfuerzos de segundo orden de la fluencia y la retracción eran nulos debido a que la estructura no era hiperestática. En la Fase 15, al ejecutarse los estribos, parte de la estructura sí se vuelve hiperestática y por tanto, se generan esfuerzos de segundo orden de fluencia y retracción que son los que participan en los cálculos. Se puede observar que en la pila 1, el vano lateral genera esfuerzos de fluencia y retracción, debido a que el desplazamiento longitudinal está impedido en el estribo 1. Mientras que en el vano lateral de la pila 2, no existen estos esfuerzos porque en el estribo 2 está permitido el desplazamiento en la dirección longitudinal. También se observa que los esfuerzos de fluencia y retracción no son muy elevados debido a la edad del hormigón de las dovelas prefabricadas. Lo mismo ocurre en las pilas, puesto que se partió de que las pilas estaban ya construidas con una edad de 100 días para la Fase 1. En la pila 1 son mayores los esfuerzos de fluencia y retracción debido a la situación hiperestática que mantiene con el tablero debido al estribo 1 a través de la unión rígida entre la pila y el tablero en las fases de construcción previas a la existencia de la clave como elemento estructural. La fluencia en la Fase 15: Ilustración 135. Esfuerzo Fluencia Fase 15. 126 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La retracción en la Fase 15: Ilustración 136. Esfuerzo Retracción Fase 15. Por último queda la Fase 17 como última fase de construcción, en la que se activa la clave y el pretensado inferior central, además del cambio de las condiciones de unión entre la pila y el tablero por las condiciones que se mantendrán en servicio. Los axiles disminuyen su valor debido a la unión con la clave. Ilustración 137. Esfuerzo Fx Fase 17. Los cortantes en la dirección “y” siguen creciendo. Los cortantes verticales disminuyen debido a la unión por la clave. 127 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 138. Esfuerzo Fz Fase 17. Los momentos flectores alrededor del eje “y”, al unirse con la clave y colocar el pretensado inferior, son la mayoría negativos, pero no hay tracciones en la parte superior. Ilustración 139. Esfuerzo My Fase 17. En esta fase se eliminan todas las sobrecargas de uso, puesto que la fase posterior representa el puente en servicio. Aunque se puede observar que existen esfuerzos debidos a las sobrecargas de uso en esta fase, aunque estas estén desactivadas. La explicación es la siguiente: en la Fase 16 están activas las sobrecargas de uso, el carro de avance y el peso del hormigón fresco. Es la fase en la que se hormigona la clave. Esto induce unos esfuerzos y unos desplazamientos en el voladizo central de la pila 1 (donde está colocado el carro de avance) diferentes a los del voladizo central de la pila 2 (no tiene carro de avance). Estos esfuerzos son transmitidos al resto de elementos cuando se unen los voladizos por la clave. En esta situación se puede ver muy bien la transición de voladizos a una estructura hiperestática. 128 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 140. Esfuerzo Repartido Sobrecarga de Uso de la Fase 16. En cuanto a la retracción y la fluencia, los esfuerzos se reparten por la estructura completa. Los momentos flectores de fluencia debido a que en el estribo 2 están permitidos los desplazamientos longitudinales. Ilustración 141. Esfuerzo de Fluencia Fase 17. Los momentos de retracción: Ilustración 142. Esfuerzo de Retracción Fase 17. 129 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7.2.3 Movimientos Es interesante observar los movimientos para visualizar mejor el comportamiento de la estructura. Se ha escogido analizar los movimientos de la Fase 14, siendo la fase en la que los voladizos tienen la mayor longitud. Posteriormente la Fase 17, con la activación de la clave. En la Fase 14, se puede observar la deformada axial: Ilustración 143. Desplazamiento Dx Fase 14. El valor máximo es de 7.82 centímetros. La deformada en dirección transversal horizontal: Ilustración 144. Desplazamiento Dy Fase 14. El valor de las pilas en la base es de 0, mientras que en el tablero, el máximo es de 3.2 centímetros. 130 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La deformada vertical: Ilustración 145. Desplazamiento Dz Fase 14. El valor máximo es de 1.2 centímetros y el valor mínimo es de -5.8 centímetros. En la Fase 17, el desplazamiento axial es uniforme como un pórtico. El máximo es 7.51 centímetros. Ilustración 146. Desplazamiento Dx Fase 17. El desplazamiento en “y”, es por causa del viento transversal horizontal. El desplazamiento de la pila y el tablero es el mismo en esta dirección debido a las condiciones de unión definitivas. 131 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 147. Desplazamiento Dy Fase 17. En los desplazamientos verticales ocurre lo mismo. Los desplazamientos de la pila y el tablero son compatibles. El máximo se da en la clave como consecuencia del pretensado inferior central, pero no lo suficiente como para ocasionar tracciones en la fibra superior. Ilustración 148. Desplazamiento Dz Fase 17. 7.3 Servicio 7.3.1 Tensiones La fase 18 de duración 10000 días se entiende como la fase de servicio. En esta fase se activan las cargas de tráfico y las cargas muertas, además de las cargas de viento de servicio. Por otro lado se desactivan las cargas correspondientes a la construcción. Es menester comprobar las tensiones en la fibra superior e inferior en servicio, para la combinación: Estado Límite de Servicio en servicio combinación frecuente. 132 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu En la fibra 1: Ilustración 149. Tensiones Fibra 1 Servicio. En la fibra 4: Ilustración 150. Tensiones Fibra 4 Servicio. 7.3.2 Esfuerzos Los esfuerzos que se analizarán son los mismos que en las fases de construcción, más los esfuerzos que induce el tráfico. Ilustración 151. Esfuerzo Fx Servicio. 133 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los esfuerzos axiles disminuyen respecto a la Fase 17 porque la distribución de la carga de viento longitudinal es diferente. Mientras que en la Fase 17 el viento longitudinal actúa como una compresión sobre las dovelas, en la Fase 18 actúa como una carga distribuida a lo largo del tablero, produciendo unos esfuerzos diferentes. Se puede observar que los cortantes Fy mantienen una distribución ligada a través de la clave. Estos esfuerzos son mayores debido a que la fase de construcción dura mucho más. Ilustración 152. Esfuerzo Fy Servicio. Los cortantes Fz son mayores también debido a la acción del tráfico y a la acción de las cargas muertas. Ilustración 153. Esfuerzo Fz Servicio. 134 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los torsores engloban las situaciones más desfavorables de la carga de tráfico en los distintos carriles virtuales. Ilustración 154. Esfuerzo Mx Servicio. Los momentos My tienen la siguiente distribución con los valores mayores que la Fase 17 debido a las cargas de tráfico y las cargas muertas. Ilustración 155. Esfuerzo My Servicio. 135 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Se puede observar que los momentos Mz son mayores en los estribos porque se encuentran impedidos. Ilustración 156. Esfuerzo Mz Servicio. Los esfuerzos de la fluencia y retracción se incrementan debido al efecto de las cargas muertas. La fluencia: Ilustración 157. Fluencia Servicio. Con un valor máximo del momento flector: 29716.5 kN·m. 136 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La retracción: Ilustración 158. Retracción Servicio. Con un valor máximo de: 2564.28 kN·m. 7.3.3 Movimientos Los desplazamientos longitudinales tienen la siguiente representación: Ilustración 159. Desplazamiento Dx Servicio. El mínimo es de -2.5 centímetros y el máximo es de 6.98 centímetros. 137 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Los desplazamientos Dy: Ilustración 160. Desplazamiento Dy Servicio. El máximo es de 3.44 centímetros. Los desplazamientos Dz: Ilustración 161. Desplazamiento Dz Servicio. El mínimo es -5.7 centímetros. 7.4 Comparativa de Esfuerzos: Construcción y Servicio En este apartado se pretende representar la evolución de los esfuerzos durante las fases de construcción y durante el servicio del puente. Se representará en Estado Límite de Servicio frecuente, tanto en construcción como en servicio, y en Estado Límite Último, tanto en construcción como en servicio. Las tablas con los esfuerzos máximos en cada etapa se presentarán en los anexos. Mientras que aquí se presentarán los resultados. 138 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7.4.1 ELS Construcción y Servicio Combinación Frecuente En la siguiente gráfica se representarán cada uno de los esfuerzos a lo largo de las distintas fases de construcción y la fase de servicio. ELS Const y Serv Frec 100000 Fx(kN) 50000 Fy(kN) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Fz(kN) Mx(kN·m) -50000 My(kN·m) -100000 My (-)(kN·m) -150000 Mz(kN·m) -200000 Ilustración 162. Gráfico Evolución de Esfuerzos por fases en ELS Frec. Se puede observar que la mayoría tiene un comportamiento creciente salvo los momentos flectores positivos My. Esta situación se explicó cuando se comentaban los esfuerzos. Quiere decir que el momento positivo que induce el pretensado es cada vez menor. Mientras los momentos negativos My(-) son nulos y a partir de la Fase 6 empiezan a tomar valores, es decir, el pretensado está mejor ajustado. 7.4.2 ELU Construcción y Servicio En la siguiente gráfica se representará lo mismo pero para el Estado Límite último en construcción y en servicio. ELU Const y Serv 150000 100000 Fx(kN) 50000 Fy(kN) Fz(kN) 0 -50000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Mx(kN·m) -100000 My(kN·m) -150000 My (-)(kN·m) -200000 Mz(kN·m) -250000 Ilustración 163. Grádico Evolución de Esfuerzos por fases en ELU. 139 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Se puede observar que el momento Mz crece mucho en la Fase 15, por la influencia de la colocación de los estribos y mucho más en la Fase 18 puesto que está en servicio. Una situación parecida al Estado Límite de Servicio ocurre con los momentos negativos y positivos, My. En función de la influencia que tenga el pretensado en cada fase y la influencia en los momentos de la acción conjunta del pretensado superior e inferior. El resto de explicaciones se encuentran en cada uno de los apartados de esfuerzos. Hay esfuerzos que son mayores en ELS que en ELU, aunque son del mismo orden de magnitud. Esto ocurre porque la IAP-11 [8] le asigna un coeficiente mayor a la carga de pretensado en el caso desfavorable en ELS que el que le asigna al pretensado en ELU. 7.5 Comprobaciones de Rotura Las comprobaciones de rotura las realiza el programa, calculando el momento último, el cortante último y el torsor último. El programa compara los esfuerzos de los elementos en los nodos “i” y “j” de las combinaciones de carga más desfavorables para dichos esfuerzos en dichos elementos. Si el puente no cumple a rotura, es necesario aumentar el pretensado puesto que entre las juntas de las dovelas no se puede poner armadura pasiva. Por otro lado, se pondrá a las dovelas una armadura pasiva geométrica mínima en el caso de que cumplan las comprobaciones. Para el pretensado definitivo que se obtuvo de las comprobaciones en Estado Límite de Servicio combinación frecuente, las comprobaciones de Estado Límite Último también cumple. Lo que quiere decir, que con la armadura activa, todas las secciones cumplen a rotura. A continuación se presentan las envolventes de los esfuerzos para las combinaciones en Estado Límite Último. Se puede comprobar que todos los esfuerzos se encuentran comprendidos en dichas envolventes. Se tiene la envolvente a flexión: Ilustración 164. Envolvente de Momentos Últimos. 140 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu La envolvente a cortante: Ilustración 165. Envolvente de Cortantes Últimos. La envolvente a torsión combinada con el cortante: Ilustración 166. Envolvente de Torsores Últimos en combinación con Cortante. La envolvente a torsión: Ilustración 167. Envolvente de Torsores Últimos. 141 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7.6 Dimensionamiento de la Armadura Pasiva Como se ha dicho con anterioridad, la armadura pasiva que se dispondrá sobre las dovelas será geométrica mínima. Se calculará para la sección del centro y la sección del apoyo. Se decide poner la armadura que se calcule para el apoyo, también en las dovelas de canto variable. 7.6.1 Armadura Longitudinal Losa Superior La losa superior mide lo mismo en la sección central y en la sección del apoyo, por tanto, será la misma armadura longitudinal en la losa superior en todo el puente. Según la EHE-08 [7], en el artículo 42.3.5, la cuantía mínima para las losas para aceros de armadura pasiva de ݂௬ ൌ ͷͲͲܽܲܯ, es de 1.8 por mil. ߩ ൌ ͲǤͲͲͳͺ ൌ ܣ௦ ܣு ܣு ሺ݈ݎ݅ݎ݁ݑݏܽݏሻ ൌ ǤͶ݉ ଶ Por cada cara: ܣ௦ ൌ ͲǤͲͲͳͺ ǤͶ݉ଶ ൌ ͲǤͲͳͳͻͷ݉ଶ ൌ ͳͳͻǤͷܿ݉ ଶ ܣ௦ ൌ ܣÀ ൌ ͳͳͻǤͷ ൌ ͷͻǤͷܿ݉ ଶ ʹ ͷͻǤͷܿ݉ ଶ ܣ௦ ଶ ൌ ൌ ͵Ǥͷʹ ܿ݉ ൗ݉ ͳ݉ ݑݏܽݏ݈ܮ Dejando libre 10 centímetros de cada borde: ݑݏܽݏ݈ܮൌ ͳ െ ͲǤͳ ʹ ൌ ͳǤͺ݉Ǥ ͷͻǤͳͶܿ݉ ଶ ଶ ͵Ǥͷʹ ܿ݉ ൗ݉ ͳǤͺ݉ ൌ ͷͻǤͳͶܿ݉ଶ ՜ ؆ ͵Ͳܾܽݏܽݎݎ ʹǤͲͳܿ݉ଶ ͳǤͺ݉ ൌ ͲǤͷ݉ ՜ ݏ௧ ൌ ͲǤ͵݉ ͵Ͳܾܽݏܽݎݎ ࢘ࢇࢊ࢛࢘ࢇࡸࢍ࢚࢛ࢊࢇࡸ࢙ࢇࡿ࢛ࢋ࢘࢘࢘ࢉࢇࢊࢇࢉࢇ࢘ࢇ ൌ ̷ࣘ 7.6.2 Armadura Longitudinal Losa Inferior ܣு ሺ݈ݎ݅ݎ݂݁݊݅ܽݏሻ ൌ ͶǤͷ݉ ଶ Realizando los mismos cálculos; se obtiene: ࢘ࢇࢊ࢛࢘ࢇࡸࢍ࢚࢛ࢊࢇࡸ࢙ࢇࡿ࢛ࢋ࢘࢘࢘ࢉࢇࢊࢇࢉࢇ࢘ࢇ ൌ ̷ࣘ 142 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 7.6.3 Armadura Longitudinal Almas 7.6.3.1 Apoyo Realizando los mismos cálculos: ܣு ሺ݈ܽ݉ܽሻ ൌ ʹǤͳʹ݉ ଶ ࢘ࢇࢊ࢛࢘ࢇࡸࢍ࢚࢛ࢊࢇࢇ࢙࢘ࢉࢇࢊࢇࢉࢇ࢘ࢇࢋࢇ࢟ ൌ ̷ࣘ 7.6.3.2 Centro ܣு ሺ݈ܽ݉ܽሻ ൌ ͲǤͻʹ݉ ଶ Como no alcanza la armadura mínima para construcción, se dispone: ࢘ࢇࢊ࢛࢘ࢇࡸࢍ࢚࢛ࢊࢇࢇ࢙࢘ࢉࢇࢊࢇࢉࢇ࢘ࢇࢋࢉࢋ࢚࢘ ൌ ̷ࣘ 7.6.4 Armadura Transversal Losa Superior Será la misma para la sección central y la del apoyo. ܣு ሺ݈ݑݏܽݏሻ ൌ ͲǤ͵݉ ͳ݉ ൌ ͲǤ͵݉ଶ ݉݁ݐ݊݁ݑ ܣ௦ ൌ ͲǤͲͲͳͺ ͲǤ͵݉ଶ ൌ ͷǤͶܿ݉ ଶ Ȁ݉ ܣ௦ ሺܿܽ݀ܽܿܽܽݎሻ ൌ ͷǤͶ ܿ݉ ଶ ଶ ݉ ൌ ʹǤ ܿ݉ ݉ ʹ Como no supera el mínimo necesario para la construcción, se dispone: ࢘ࢇࢊ࢛࢘ࢇࢀ࢘ࢇ࢙࢜ࢋ࢙࢘ࢇ࢙ࢇ࢙࢛ࢋ࢘࢘࢘ࢉࢇࢊࢇࢉࢇ࢘ࢇ ൌ ̷ࣘ 7.6.5 Armadura Transversal Losa Inferior Ocurre la misma situación que en la losa superior, que no supera el mínimo. Por tanto, se dispone: ࢘ࢇࢊ࢛࢘ࢇࢀ࢘ࢇ࢙࢜ࢋ࢙࢘ࢇ࢙ࢇࢌࢋ࢘࢘࢘ࢉࢇࢊࢇࢉࢇ࢘ࢇ ൌ ̷ࣘ 7.6.6 Armadura Transversal Almas También se pondrá la mínima. ࢘ࢇࢊ࢛࢘ࢇࢀ࢘ࢇ࢙࢜ࢋ࢙࢘ࢇࢇࢇ࢘ࢉࢇࢊࢇࢉࢇ࢘ࢇ ൌ ̷ࣘ La armadura pasiva de la dovela de pila queda de la siguiente forma: 143 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Ilustración 168. Armadura Pasiva en la Dovela de Pila. La armadura pasiva de la dovela del centro queda de la siguiente forma: Ilustración 169. Armadura Pasiva en la Dovela Central. 8. CONCLUSIONES El proyecto que se ha realizado ha pretendido trazar la metodología para el análisis y dimensionamiento de puentes en construcción evolutiva. En concreto se ha escogido el método de construcción por voladizos sucesivos. Se ha realizado un recorrido por el predimensionamiento para obtener las secciones de las dovelas centrales y las de las pilas, y el pretensado superior e inferior, tanto en los laterales como en el centro de manera que se pueda introducir en el programa que se ha utilizado: Midas Civil. Se dimensiona el pretensado superior para resistir los momentos negativos que se dan en las fases de construcción en las que figuran los voladizos. Mientras que el pretensado inferior se dimensiona para los momentos positivos que tendrán lugar en servicio. 144 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu Posteriormente, con ayuda de un tutorial del propio programa se ha introducido la geometría del puente, las condiciones de contorno, el pretensado, las cargas y sus combinaciones. El propósito del proyecto es ajustar el dimensionamiento de la sección, armadura activa y armadura pasiva, en su caso, de manera que cumplan las comprobaciones de Estado Límite de Servicio y Estado Límite Último tanto en construcción como en servicio, de manera que se ejecute una estructura segura en todas sus etapas. Se ha ido observando y comentando que los esfuerzos axiales crecen de forma general a lo largo de las fases de construcción debido al aumento del pretensado. Los cortantes van creciendo lentamente hasta que se ejecutan los estribos. Los cortantes transversales horizontales son consecuencia del viento en dicha dirección. Los cortantes verticales son consecuencia de las cargas verticales: sobrecarga de uso, carretón, carro de avance, peso del hormigón fresco, viento vertical durante la construcción, y cargas muertas, efecto vertical del tráfico, viento vertical en servicio. Los momentos torsores de la misma forma van creciendo y aumentan cuando se hormigona la clave. Los momentos flectores positivos son predominantes hasta la Fase 6, fase en la que empiezan a aparecer momentos flectores negativos. La explicación es la siguiente: durante las primeras fases, el efecto del pretensado es mayor y a medida que avanza las fases de construcción, el efecto pierde magnitud, lo que significa que otras cargas que producen momento van adquiriendo importancia. Esto quiere decir que el pretensado está mejor ajustado que en las primeras fases, puesto que, aunque a partir de la Fase 6 aparecen momentos negativos, no se producen tracciones en la fibra superior del tablero en Estado Límite de Servicio. Las comprobaciones que se realizan son por un lado las del Estado Límite de Servicio y por otro lado las de rotura. Las comprobaciones del Estado Límite de Servicio que se realizan son las de ajustar la armadura activa de tal manera que no se produzcan tracciones en el tablero. No se permite la existencia de tracciones debido a que las dovelas son prefabricadas y la existencia de tracciones ocasionaría la apertura de las juntas entre dovelas poniendo la armadura activa expuesta al aire y la humedad exterior. Las comprobaciones de rotura que realiza el programa son calculando el momento último, el cortante último y el torsor último para las combinaciones de carga en Estado Límite Último que recoja los esfuerzos más desfavorables. Si no cumplen las secciones las comprobaciones de rotura, se debe aumentar el pretensado de manera que llegue a cumplir, teniendo en cuenta que entre las juntas de las dovelas no se puede poner armadura pasante, tan solo armadura activa. En el caso de que cumpla, se deberá disponer en las dovelas una armadura longitudinal y transversal geométricamente mínima. Esta armadura será interna a cada dovela, debido a que no se puede disponer armadura pasiva de una dovela a otra. Se colocará entre los encofrados 145 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu y posteriormente se hormigonarán las dovelas en el Parque de Prefabricación, dejándolas preparadas para su colocación. 146 ANEXO 147 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 1. CARGAS DE VIENTO 148 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 149 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 150 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 151 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 152 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 2. PERFIL PRETENSADO SUPERIOR 153 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 154 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 155 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 156 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 157 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 158 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 159 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 160 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 161 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 162 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 3. PERFIL PRETENSADO INFERIOR LATERAL 4. PERFIL PRETENSADO INFERIOR CENTRAL 163 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 164 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 165 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 166 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 167 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 5. ESFUERZOS FASES ELS CONSTRUCCIÓN Y SERVICIO FRECUENTE 168 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu 6. ESFUERZOS FASES ELU CONSTRUCCIÓN Y SERVICIO 169 Trabajo Fin de Grado María Luiza Nancu Nancu BIBLIOGRAFÍA [1] Manterola J. Puentes: Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Primera Edición. Puerto de Arlabán, 33-28053 Madrid: RUGARTE, S.L; 2006. [2] Gerardino Perdomo M. Estudio Comparativo de Puentes Construidos por Voladizos Sucesivos [Tesis de Máster]. Barcelona: Escola Técnica Superior d´Enginyers de Camins, Canals i Ports de Barcelona. Universitat Politécnica de Catalunya; Junio 2011. [3] Revista de Obras Públicas Julio 1970; (3063). [4] Hormigón y Acero Abril-Junio 2008; 59 (248). [5] Álvarez Poyatos J.L, González Esteban J.I. Construcción de viaductos vano a vano por dovelas prefabricadas. EN: Primer Congreso Nacional de Prefabricación. FCC, Construcción S.A, Dirección Técnica.p. 2-14. [6] Seminario Manrique E. Guía para el Diseño de Puentes con Vigas y Losa [Tesis para optar al Título de Ingeniero Civil]. Piura: Universidad de Piura. Facultad de Ingeniería; Enero 2004. [7] EHE-08 Instrucción de Hormigón Estructural. Ministerio de Fomento. Gobierno de España (2010). [8] IAP-11 Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera. Ministerio de Fomento. Gobierno de España (2011). [9] Obras de paso de nueva construcción: Conceptos generales. Ministerio de Fomento. Gobierno de España (2000). [10] BBR VT CONA CMI: Post-tensioning System. BBR Pretensados y Técnicas Especiales, S.L. European Technical Approval ETA-06/0147 CE. [11] Wikipedia. Puente por voladizos sucesivos [Homepage]. [Actualizada en 8 Junio de 2013; acceso 11 Junio 2014]. [12] Yepes V. Universitat Politécnica de Valéncia [Homepage]. [Acceso 11 Junio 2014]. [13] Sánchez Nieto J.C. Metodología para el análisis y resolución de estructuras en hormkigón pretensado construidas evolutivamente [Proyecto de Fin de Carrera]. Escuela Superior de Ingeniería; 2013. [14] Percivati y Colombo (2006). [15] Pérez y Herrero (1995). [16] González Esteban J.I. Construcción de viaductos de dovelas prefabricadas. Dirección Técnica. FCC, Construcción S.A. 170
