Coyuntura
Puente de carretera internacional España-Portugal sobre el río Duero para la conexión de las vías CL-527 e IC5 (Zamora)
Marina García López-Arias
Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos.
Ganadora del V Premio Nacional de Proyectos Fin de Máster en la categoría de Mayor Calidad
Arturo Antón Casado
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
Profesor de la E. T. S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de A Coruña. Universidade da Coruña
El puente de carretera internacional entre España y Portugal es un puente arco de tablero superior con una longitud total de 830 m que cruzan sobre el río Duero en el Parque Natural de los Arribes del Duero en Fermoselle. El arco, de 240 m de luz, está constituido por dos células de acero estructural de canto y separación entre ellas variable. El tablero es una sección mixta constituida por una viga abierta metálica y una losa superior de hormigón armado de 3,25 m de canto total, que pasa a ser de doble acción mixta en apoyos. La construcción se realiza mediante el empuje del tablero sin la losa superior y el abatimiento de los semi arcos. El proyecto pretende mejorar la calidad de la conexión entre el norte de Portugal y la ciudad de Zamora, así como de Portugal y España en general.
Palabras clave: Puente, carretera, arco, acero.
The international road bridge between Spain and Portugal is an upper deck arch bridge with a total length of 830 m that crosses over the Douro River in the Arribes del Duero Natural Park in Fermoselle. The arch, with a span of 240 m, is made up of two structural steel cells with a variable depth and spacing between them. The deck is a mixed section made up of an open steel beam and a reinforced concrete upper slab with a total depth of 3.25 m, which becomes double mixed action on bearings. The construction is carried out by pushing the deck without the upper slab and folding down the semi-arches. The project aims to improve the quality of the connection between the north of Portugal and the city of Zamora, as well as Portugal and Spain in general.
Keywords: Bridge, road, arch, steel.
La comunicación entre España y Portugal es clave para el comercio de los dos países, en especial en la zona norte donde no existe una buena conexión directa entre Madrid y Oporto. Recientemente, la región de Tras Os Montes en Portugal, ha reivindicado ante la Asamblea de la República Portuguesa y el Gobierno de Portugal la dotación de fondos públicos para varias conexiones transfronterizas con España (Zamora) dentro del Programa Nacional de Inversiones. Una de las prioridades de esta propuesta fue la unión por la vía rápida portuguesa IC5.
El paso actual de esta región lusa a la capital española, y por consiguiente a Europa, pasa por la presa de Bemposta que conecta la autonómica española CL-527 con la variante de la nacional portuguesa N221-7. Las otras opciones de paso consisten en una a la altura de Braganza (Portugal) y otra en Ciudad Rodrigo (Salamanca) separadas casi 300 km por carretera. Esto implica que buena parte del tráfico de mercancías y pasajeros escoja la opción del paso por la presa, sobre todo los comerciantes de la zona. Sin embargo, las carreteras mencionadas se caracterizan por un trazado sinuoso y con grandes pendientes para los vehículos pesados que acostumbran a circulan por ella. Además, el paso por la presa de Bemposta consta de un solo carril para ambos sentidos de circulación, provocando esperas y turnos regulados actualmente con un semáforo.
Con el presente proyecto se pretende unir los municipios mencionados mediante un puente de carretera que una la carretera autonómica CL-527 con la convencional portuguesa N221-7 con vistas a una futura autovía que conecte mediante la vía rápida IC5 las dos regiones y la capital española con Oporto para así favorecer el tráfico de mercancías entre España y Portugal y distribuirlo reduciendo la carga de tráfico de la A-62, además de la consiguiente reducción de la siniestralidad y sinuosidad de la carretera actual. Dicho puente se plantea en el ayuntamiento de Fermoselle en Zamora sobre el río Duero en la zona del Parque Natural de los Arribes del Duero, aguas debajo de la presa de Bemposta y se ejecuta mediante un arco de acero de 240 metros de luz.
Descripción de la estructura
- Descripción general
El puente tiene una longitud total de 830 metros, situados entre los PK 0+070 y PK 0+900, formada por 18 vanos de longitud variable de 35 metros en los extremos, 50 metros en los vanos apoyados en las pilas de hormigón y 40 metros en los vanos sobre las pilas metálicas sobre el arco. El puente tiene un trazado recto en planta y con una pendiente del 4,12% en alzado para salvar el desnivel de las carreteras que llevan a la presa de Bemposta.
El vano principal (PK 0+380 a PK 0+620), de 240 m, se resuelve mediante un arco de acero estructural compuesto por dos células de canto y separación variable de 4,5 m y 10 m en arranque a 3 m y 3,5 m en clave, respectivamente, incrementando considerablemente la rigidez transversal del puente. Sobre el arco, se apoyan 5 pilas de acero formadas también por dos células de separación variable y arriostradas entre sí. El vano del tablero en esta zona se reduce a 40 metros, ya que el apoyo de pilas sobre el arco no es tan rígido como el apoyo sobre el terreno y así los esfuerzos en el tablero pueden mantenerse del mismo orden a lo largo de todo el puente.
El tablero es continuo en todo el puente y se encuentra simplemente apoyado en todas las pilas de la estructura, fruto del empuje del tablero perteneciente al proceso constructivo que se llevará a cabo para su realización. La obra consta además de dos accesos a la central hidroeléctrica y la presa de Bemposta, situadas aguas arriba de la estructura.
Las pilas sobre el terreno son de sección rectangular hueca de hormigón armado, con mayor inercia en la dirección transversal al puente. Se construyen mediante encofrados trepantes debido a la gran altura de estas, que alcanza 118,8 metros en la pila número 6.
Las partes más relevantes del proceso constructivo son el empuje del tablero y el abatimiento de los semi-arcos. El empuje del tablero se realiza con la sección completa excepto la losa superior y desde ambos extremos del puente hasta la unión en el centro, de tal modo que debido a la pendiente positiva y negativa se bloqueará longitudinalmente en los estribos. El abatimiento de los semi-arcos se realiza mediante un primer empuje, basculamiento y descenso de los semi-arcos hasta los macizos de anclaje, donde se acopla a una rótula que permite el abatimiento mediante el montaje de un cableado con retenida y cable frontal. Una vez abatidos, se cierra la clave de los arcos y se bloquean las rótulas para formar el arco biempotrado.
Tablero
El tablero es una sección mixta constituida por una viga abierta metálica y una losa superior de hormigón armado. Se ha optado por una sección en cajón en lugar de una de vigas cerradas ya que determina un mejor reparto de tensiones longitudinales en cargas excéntrica, por lo que soporta mejor esfuerzos torsores. Las dimensiones de esta son 3 m de canto de la viga y 0,25 m de la losa superior. Por lo tanto, la relación canto/vano es de aproximadamente 1/15 para los vanos de aproximación y de aproximadamente 1/12 para los vanos sobre el arco.
Todo el tablero es de acero S355 y hormigón HA-40 y se ha diseñado siguiendo las recomendaciones para el proyecto de puentes mixtos para carreteras (RPX-95) así como la norma española del acero estructural (EAE). De acuerdo con estas normativas, el tablero es de clase 4, es decir, esbelta, en la que os fenómenos de abolladura limitan incluso el desarrollo de su capacidad resistente elástica, no llegando a alcanzarse el límite elástico del acero en la fibra más comprimida.
Las chapas que forman la viga metálica tienen un espesor variable, de 25 mm en las zonas de apoyos y 20 mm en el resto. Además, en las zonas de apoyo se dispone una losa de fondo en el cajón para absorber las compresiones locales de la sección por la flexión longitudinal global del tablero. La sección cuenta con chapas para rigidizar y absorber la carga puntual de las pilas en cada apoyo y una rigidización cada 2,5 m para la distorsión de la sección.
La rigidización transversal, o diafragmas, está formada por un IPE 300 superior, dos 1⁄2 IPE 400 laterales, dos 2L 100.65.10 diagonales, un 1⁄2 IPE 400 inferior y tres placas de anclaje de las diagonales: una común superior y dos inferiores. Además, la viga cuenta con una rigidización longitudinal en todas sus chapas formadas por un total de 11 1⁄2 IPE 200. Esta rigidización tiene la función de evitar inestabilidades de las chapas, como abolladuras, y de aportar la resistencia suficiente a estas.
Las prelosas son prefabricadas y están formadas por tres placas de hormigón de 7 cm de espesor. La placa central es de 8 metros y se encuentra biapoyada sobre las vigas del tablero y las de los lados son voladizos de 2,6 m. Entre ellas hay una separación de 0,3 m y su ancho es de 2,5 m.
Vista 3D de la sección, sección tipo del tablero y parte de los modelos de elementos finitos locales utilizados para el cálculo estructural del tablero.
Arco
Se plantea un arco biempotrado doble como la parte principal de la estructura. Esta decisión implica la certeza de que el estrato rocoso tenga la capacidad portante suficiente para soportar los esfuerzos trasmitidos por el arco, extrapolación que se puede hacer tras el estudio de la geología de la zona y geotécnico del propio emplazamiento.
Además, el canto del arco es mayor en el arranque de este que en la clave, debido a la necesidad de una mayor inercia en el empotramiento para soportar los esfuerzos flectores. La luz del arco es de 240 metros y su flecha de 80 metros, obteniendo una relación flecha/luz de aproximadamente 1/3. Relaciones flecha/luz altas consiguen acercar el arco a la curva funicular, con la desventaja de que pueden salvar luces menores; de forma contraria, una relación flecha/luz más baja implican arcos de mayor coste. En este caso, una relación de 1/3 se considera un término medio.
En cuanto a la interacción del arco con el tablero, en este caso y debido a la gran luz del arco, la inercia de este predomina sobre la del tablero. Por lo tanto, a pesar de que el tablero acompaña a la deformación del arco a través de las pilas y que los esfuerzos no simétricos longitudinales se reparten entre ellos, la contribución del arco al esquema resistente del puente es considerablemente mayor que la del tablero, haciéndolo el elemento más importante del puente. El apoyo del tablero en el arco, realizado mediante las pilas de acero, es rígido excepto para el pilar más corto en longitud que para evitar flexiones de gran magnitud por las deformaciones diferentes de temperatura en arco y tablero y giros, se convierte en uniones articuladas.
Estos arcos se inclinan hacia sí mismos para dar rigidez transversal a la estructural, con una distancia en arranque de arco de 10 metros y una final de 3,5 metros El canto de los arcos es variable también, de 4,5 metros en arranque a 3 metros, y un ancho constante de 3 metros. Los arcos cuentan con una serie de arriostramientos entre ellos en forma de “X”, además de los arriostramientos horizontales en cada pila.
Las chapas que lo constituyen son de 20 mm, de acero S355 J0, y están rigidizados cada 5º, además de la rigidización en cada encuentro con las pilas metálicas. La rigidización longitudinal en los arcos está formada por rigidizadores de 380 mm de ancho que aportan rigidez a las chapas ante inestabilidades locales. Según la normativa española de acero estructural (EAE) la sección del arco se considera también de clase 4: esbelta.
Subestructura
El puente consta de 2 estribos y 17 pilas, de las cuales 5 son metálicas y el resto de hormigón armado. Las pilas metálicas se apoyan sobre el arco y las de hormigón sobre el terreno. Las pilas de hormigón armado son de sección cajón con paredes delgadas, excepto en su parte superior, que se maciza el interior que se encarga de transmitir los esfuerzos recibidos a través de los neoprenos hacia los perímetro de las pilas. En las pilas de hormigón, el esfuerzo principal es el flector, a pesar de no tener una unión rígida con el tablero, por el empuje del viento ya que la pila de mayor altura es de casi 120 metros. La dimensión grande la sección de las pilas se coloca de forma perpendicular al eje longitudinal del puente para así tener mayor rigidez transversal. Los apoyos de neopreno colocados sobre las pilas son deslizantes longitudinalmente y con movimiento limitado transversalmente, asegurando que el movimiento entre tablero y pila es el mismo.
En cuanto a las pilas de acero, están agrupadas en parejas, de modo que cada pila soporta mitad de la viga que conforma el tablero. La sección de la pila es de 2×2 m2. Los espesores de chapa son 20 mm en toda su sección. Se disponen arriostramientos en K en toda su longitud, con espesor de 20 mm también y secciones de 1×1 y 0,5×0,5 m2. De cara a evitar abolladura local, se disponen rigidizadores longitudinales tal como se vio en el caso del tablero.
La cimentación, además de los estribos se realiza de manera directa y superficial mediante zapatas de hormigón armado, excepto el arco y las pilas 6 y 12 que se ejecutan mediante un macizo de hormigón armado. Esta es, precisamente, la parte más característica de la cimentación, ya que varía su forma durante el proceso constructivo, en el que se coloca una rótula de acero donde se acoplan los semi-arcos para su abatimiento, y al llegar a su posición final se termina de hormigonar el resto del macizo y se coloca una placa de anclaje de acero sujeta mediante pernos de anclaje al macizo en el perímetro de la placa. Para el cálculo del armado del macizo de hormigón se ha realizado un modelo de bielas y tirantes basado en las condiciones del contorno del terreno y los casos de carga del modelo de barras para el cálculo global de la estructura, siguiendo las recomendaciones de la EHE-08.
Proceso constructivo
El empuje del tablero es el aspecto más significativo del proceso constructivo, con el abatimiento de los arcos. No obstante, el empuje del tablero puede repercutir seriamente en la fase de diseño de la estructura, ya que esta verá sometida a todas sus secciones, incluidas las no fuertemente rigidizadas, por zonas tanto de momentos positivos, como de negativos, por lo que los esfuerzos pueden ser mayores que para la fase de servicio.
Con la ayuda de la nariz de lanzamiento, el tablero se desliza con gatos sobre estribo y pilas. Para que este procedimiento sea efectivo, el puente debe tener un canto constante y un trazado en planta recto y pendiente nula o ascendente, sin embargo, con los actuales sistemas de retenida, se permiten pendientes descendentes y alineaciones circulares, como será nuestro caso, donde encontramos una pendiente ascendente de 4,12% en un lado y una pendiente descendente del mismo valor en el otro lado.
Otro problema radica en el hecho de que la losa superior no va a participar en el proceso de empuje, por ser un peso muerto de gran valor, lo que implica que el momento resistente último del tablero, así como las demás características mecánicas y geométricas son diferentes a la fase final. Para poder determinar si la viga del tablero sin la losa superior resiste este proceso de empuje, se ha realizado un modelo de barras del proceso constructivo, modelizando cada situación del empuje, en ambos sentidos.
En cuanto al abatimiento del arco, el procedimiento consiste en construir los arcos y luego abatirlos con ayuda de tirantes y cabrestantes con un giro alrededor de su extremo inferior. El giro se ve favorecido por el peso del semi-arco, aunque al principio es necesario desplazarlo con unos cilindros hidráulicos horizontales. Luego las retenidas deben controlar el descenso, donde los semi arcos presentan esfuerzos flectores crecientes con su proyección horizontal. Este tipo de montaje supone importantes retenidas y rótulas de giro que pueden ser incompatibles con grandes luces, por lo que para estos casos se usan arcos metálicos, que incluso pueden quedar embebidos como auto cimbras.
Presupuesto y ficha técnica
El Presupuesto de Ejecución Material resultó en veintisiete millones doscientos ochenta mil seiscientos noventa y cinco euros con cincuenta y dos céntimos (27.208.695,52€). Tras el 13% de gastos generales, el 6% de beneficio industrial y el 21% de IVA, el Presupuesto Base de Licitación del proyecto resultó en treinta y nueve millones ciento setenta y siete mil ochocientos euros con sesenta y ocho céntimos (39.177.800,68€).
Título: Puente de carretera internacional España-Portugal sobre el río Duero para la conexión de las vías CL-527 e IC5 (Zamora).
Localización: Fermoselle (CL-527), Zamora
Longitud: 830 m
Presupuesto de Ejecución Material: 27.208.695,52 €
Descripción de la estructura:
- Puente arco de tablero superior. Trazado recto en planta y con pendiente constante del 4,12% en
- 18 vanos de longitud variable 35 + 50 (6) + 40 (4) + 50 (6) + 35 m.
- Arco metálico compuesto por dos células de canto y separación variable de 4,5 m y 10 m en arranque a 3 m y 3,5 m en clave,
- Tablero de sección mixta constituida por una viga abierta metálica y una losa superior de hormigón armado de 3,25 m de canto
- El tablero pasa a ser de doble acción mixta en apoyos mediante la disposición de una losa de hormigón de fondo en el cajón de 10 m de longitud y 15 cm de
- El puente cuenta con 17 pilas: 12 de hormigón armado sobre el terreno y 5 de acero estructural sobre los arcos. Las pilas de hormigón son de sección rectangular (5,5×2) y hueca y las pilas de acero de sección doble cuadrada (2×2) y con separación variable entre ellas.
Proceso constructivo:
- Ejecución de las pilas mediante encofrado
- Empuje del tablero mediante skid-shoes por ambos
- Sistema de abatimiento de semi-arcos: transporte, basculamiento y rotación, cuelgue, descenso, colocación sobre rótulas inferiores y abatimiento mediante sistema de cableado y torre provisional.
- Bloqueo de rótulas y constitución de arco
- Ejecución de pilas sobre arco y finalización del empuje del tablero.