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II CONGRESO DE ACHE DE PUENTES Y ESTRUCTURAS
Gestin de estructuras
Mantenimiento
(Fotografa: Paco Gmez)
Ampliar sin reforzar. El puente arco sobre el ro Segura en Elche de la Sierra
Peter Tanner
Juan Luis Bellod
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Ampliar sin reforzar. El puente arco sobre el ro Segura en Elche de la Sierra
Peter TANNER
Instituto de Ciencias de la Construccin Eduardo Torroja, IETcc CSIC y CESMA
Ingenieros
Juan Luis BELLOD
CESMA Ingenieros
1. INTRODUCCIN
La diferencia fundamental entre la evaluacin de estructuras existentes y el proyecto de
estructuras de nueva construccin reside en el estado de informacin. En el caso de una
nueva construccin, los parmetros de los modelos de las cargas y de la resistencia de la
estructura deben basarse en valores esperados, y se deben anticipar las imprecisiones
relacionadas con la ejecucin. Cuando la estructura analizada existe ya, son muchas las
incertidumbres que se pueden reducir porque es posible afinar los modelos de clculo para
cada caso, aprovechando los resultados de inspecciones, ensayos y mediciones in situ. En
estructuras existentes siempre es posible incrementar el nivel de precisin de los modelos
de clculo a travs de la adquisicin de ms datos sobre la estructura analizada o, en otras
palabras, actualizando la informacin disponible. En la mayora de los casos, el coste de la
actualizacin de la informacin se compensa con una reduccin significativa del coste de
la intervencin o de otros costes, puesto que una evaluacin demasiado conservadora
puede conducir a limitaciones no justificadas de las cargas variables de uso, as como
refuerzos o demoliciones innecesarias de estructuras existentes.
En la contribucin se presenta un caso real de un puente arco cuyo tablero se deba
ampliar. El reto consista en la justificacin de la fiabilidad de la estructura existente para
las nuevas condiciones de utilizacin sin necesidad de reforzarla. A estos efectos se suele
emplear un procedimiento por fases en el que, partiendo de datos generales, se afinan los
modelos de resistencia y de las acciones de una fase a otra, actualizando y mejorando la
informacin disponible.
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2. EL PUENTE
El puente sobre el ro Segura (figura 1) en Elche de la Sierra (Albacete) tiene 40 m de luz y
fue construido en el ao 1927 siguiendo las ideas y directrices del famoso ingeniero
Eugenio Ribera (1864 - 1936) que se plasmaron en una coleccin oficial de puentes arco.
La luz de 40 m se salva con un doble arco de 1.0 m de ancho, canto variable, directriz en
parbola de 2 grado y con una relacin flecha/luz de 1/10. La separacin entre los dos
arcos es de 3.1 m. Los montantes estn formados por tabiques verticales, del mismo ancho
que el arco, 0.25 m de espesor y con una separacin de 2.0 m entre ejes de los montantes.
El tablero es de hormign armado con una losa maciza binervada, unida monolticamente
con los arcos en el centro del vano. Los estribos estn formados por unos muros que
resisten los empujes transmitidos por los arcos.
Figura 1 Puente sobre el ro Segura en Elche de la Sierra antes de la intervencin
La armadura de los arcos est formada por perfiles laminados que, durante la construccin,
constituan una cimbra autoportante. Esta tcnica, desarrollada por Ribera, presentaba una
doble ventaja. Por un lado permita eliminar las complejas cimbras tradicionales y, por otro
lado, contribua a atenuar los riesgos inherentes a las crecidas de los ros. Este tipo de
construccin se puede considerar tambin como precursora de la construccin mixta.
De acuerdo con la coleccin oficial para los puentes de carreteras de tercer orden, el puente
original tena un ancho total de la plataforma de 6.0 m, con un ancho de calzada de 4.50 m
y dos aceras de 0.75 m. Las dos aceras haban sido eliminadas en fechas desconocidas, de
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manera que antes de la intervencin la calzada ocupaba el ancho total de la plataforma. En
el marco de la mejora de la carretera de Elche a Frez llevada a cabo en el ao 2001, fue
necesario ampliar el ancho del tablero de 6.0 m a 9.0 m.
3. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIN
La figura 2 muestra el concepto del procedimiento de evaluacin por fases mencionado en
el apartado 1, as como su relacin con la actualizacin de informacin.
Antes de proceder a la primera fase de la evaluacin se debe recopilar toda la informacin
disponible sobre la estructura. La validez de esta informacin se debe confirmar mediante
una inspeccin visual. Dependiendo de la informacin disponible, tambin puede resultar
necesario completar los datos previos mediante mediciones o incluso ensayos para poder
efectuar una evaluacin. En el presente caso, la realizacin de la evaluacin exige tambin
la adopcin de una hiptesis sobre una posible solucin estructural puesto que la
rehabilitacin est ligada al ensanche del tablero, lo que implica una modificacin de la
estructura, debiendo comprobar su seguridad estructural en las condiciones futuras de uso.
En la primera fase se lleva a cabo una evaluacin semiprobabilista, utilizando los criterios
de verificacin de la seguridad estructural segn un conjunto consistente de normas de
dimensionamiento de puentes de carretera que estn en vigor, por ejemplo [IAP 1998] y
[EHE 1998]. A estos efectos, los modelos de clculo se basan en la informacin
completada sobre la estructura, as como en las hiptesis adoptadas para la ampliacin del
tablero. En caso de que la seguridad quede verificada para todos los elementos
estructurales existentes segn los criterios mencionados, no es necesario proceder a la
siguiente fase de la evaluacin.
En caso contrario, se puede establecer un modelo estructural simplificado para el elemento
ms crtico, identificado en la primera fase. Este modelo debe permitir un anlisis de la
fiabilidad de la estructura utilizando modelos probabilistas para las acciones y la
resistencia de la estructura (segunda fase). En la obtencin de estos modelos se tiene
nuevamente en cuenta la informacin completada sobre la estructura real. Si no se cumple
el criterio para la verificacin de la seguridad estructural de este elemento, es posible
proceder a la siguiente fase de la evaluacin, basada en un incremento de la precisin de
los modelos de clculo.
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La mejora de los modelos es posible a travs de la recopilacin de ms informacin
especfica sobre la estructura y las acciones. El anlisis probabilista de la segunda fase de
la evaluacin aporta datos muy tiles para la planificacin de las inspecciones, mediciones
y ensayos adicionales: de los resultados es posible deducir para cuales de los diferentes
parmetros una actualizacin sera ms eficaz [Tanner 1997]. La informacin as mejorada
se puede emplear para calibrar modelos deterministas actualizados para las acciones y la
resistencia.
Figura 2 Evaluacin por fases y su relacin con la actualizacin de informacin
En la tercera fase de la evaluacin se lleva a cabo una verificacin semiprobabilista de la
fiabilidad de la estructura con los modelos actualizados de las acciones y de la resistencia.
A estos efectos se puede utilizar, adems, un modelo estructural ms refinado que el
empleado en las fases anteriores, incrementando an ms la precisin de la evaluacin.
Si no se puede verificar la fiabilidad de la estructura mediante un anlisis semiprobabilista
con modelos actualizados segn la tercera fase de la evaluacin, existen diferentes
posibilidades para la continuacin: se podra continuar con la evaluacin, basada en un
incremento adicional de la precisin de los modelos adquiriendo ms datos sobre la
estructura y las acciones; alternativamente se podra llevar a cabo una verificacin
probabilista con los modelos actualizados de las acciones y de la resistencia y utilizando un
modelo estructural sofisticado; sin embargo, si una reduccin adicional de las
INFORMACIN EHIPTESISInspeccin, ensayos, medicionesSolucin estructural
ANLISISDETERMINISTAS,R:info completadaNormas en vigor
SUSTITUCIN
INICIO
ANLISISPROBABILISTAEstruct.: simplificadaS,R:info completada
MODELOSACTUALIZADOSEnsayos adicionalesCalibracin modelos
ANLISISDETERMINISTAEstruct.: sofisticadaS,R:modelos actual.
Sd,act Rdact?
norma?
SdRd?
REHAB. YMANTENIM.
no no no
si si si
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incertidumbres relacionadas con las acciones y la resistencia no llevara a ningn beneficio
tangible, se debera decidir el refuerzo o la sustitucin de la estructura existente.
En el caso de que la fiabilidad de la estructura quede verificada en alguna de las fases de la
evaluacin, se puede proceder a la ampliacin del tablero del puente existente. Para su
futura explotacin se deben planificar unas medidas de mantenimiento adaptadas a las
caractersticas del puente estudiado. Tambin se deben establecer las inspecciones
necesarias y los plazos de realizacin de las mismas con el fin de asegurar que la estructura
se encuentre en un estado aceptable para cumplir su funcin durante el perodo de uso
futuro.
4. ACTUALIZACIN DE LA INFORMACIN E HIPTESIS
4.1 Inspecciones y ensayos
La calidad de la evaluacin de una estructura existente no puede ser mejor que la calidad
de la informacin en la que se basa. Por este motivo, la recopilacin y la actualizacin de
la informacin constituyen probablemente los pasos ms importantes en la evaluacin de
una estructura existente. En muchos casos, debido a la falta de informacin, resulta
necesario completar los datos disponibles (mediante inspecciones y ensayos) antes de
proceder al anlisis semiprobabilista de la primera fase de la evaluacin (figura 2). La
definicin del programa de inspecciones, ensayos y mediciones incluye la seleccin de los
parmetros que se quieran actualizar, la definicin de los mtodos de observacin, la
seleccin de probetas y testigos, las condiciones y disposiciones para los ensayos, el
nmero de ensayos y los mtodos de evaluacin.
En el presente caso, la informacin disponible resulta relativamente extensa. Tanto la
mencionada coleccin oficial de puentes arco de Ribera, como algunos estudios recientes
sobre un nmero limitado de estos puentes que todava estn en servicio [Millanes 2000],
contienen datos de gran utilidad. La recopilacin de informacin sobre el puente de Elche
de la Sierra ha permitido, adems, localizar algunos documentos correspondientes al
proyecto original (Planos, Memoria).
Con el fin de confirmar la informacin recopilada se ha efectuado un control estadstico de
la geometra de los elementos principales, as como de las caractersticas de los
hormigones empleados en estos elementos. Tambin se ha efectuado una inspeccin visual
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con el fin de detectar posibles daos y desperfectos (fisuras, filtraciones, huellas de
corrosin, etc.). Finalmente, se ha estimado necesario efectuar un estudio geotcnico, tanto
para confirmar las condiciones de la cimentacin de los arcos como para determinar las
caractersticas geotcnicas de los rellenos entre los muros en las zonas de acceso a la
estructura propiamente dicha.
4.2 Solucin estructural
Debido a la ampliacin deseada del tablero se debe adoptar una posible solucin
estructural antes de proceder a la evaluacin (figura 2). La solucin propuesta se basa en la
construccin de un tablero nuevo mediante hormign in situ. En esta solucin, el tablero
existente tiene una doble funcin. Por un lado se utiliza durante la construccin como
encofrado de la parte central. Por otro lado, a travs de una adecuada conexin, debe
trabajar solidariamente con el hormign nuevo, integrndolo en el mecanismo resistente
del puente ampliado. El espesor mnimo de la capa de hormign nuevo se determina de
forma que los esfuerzos cortantes entre el voladizo nuevo y la parte recrecida del tablero
existente se puedan transmitir sin la necesidad de prever una conexin mecnica a estos
efectos.
Para las zonas de acceso se propone la construccin de dos nervios longitudinales de
hormign, paralelos a los muros de acompaamiento y apoyados en el relleno entre estos
muros. Sobre estos nervios se apoyan unas losas prefabricadas con un espesor variable de
0.15 a 0.3 m que forman el tablero nuevo de 9 m de ancho.
5. MTODO DE ANLISIS
5.1 Generalidades
La realizacin de la solucin propuesta en el apartado 4.2 requiere la comprobacin previa
de la seguridad de los arcos existentes frente a los posibles fenmenos de inestabilidad. A
estos efectos se utiliza el procedimiento de evaluacin reflejado en la figura 2. La
descripcin detallada de las distintas fases de la evaluacin est fuera del alcance del
presente resumen. Las tcnicas empleadas y las decisiones a adoptar son anlogas a las que
se han presentado en relacin con la evaluacin y la rehabilitacin de otros puentes, por
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ejemplo en [Tanner 1997] y [Tanner 2000]. En el presente apartado se describe nicamente
el mtodo empleado para la verificacin de la estabilidad de la estructura ampliada.
La forma de pandeo del sistema depende de un gran nmero de parmetros, entre ellos de
la esbeltez de los arcos, de las condiciones de apoyo, de la contribucin del tablero a la
estabilidad global del sistema, as como de la disposicin de las cargas de trfico. Para la
verificacin de la seguridad del sistema frente a los posibles fenmenos de inestabilidad se
emplea un procedimiento basado en el clculo de la inestabilidad. Este procedimiento
constituye una aproximacin de un anlisis no lineal, en principio suficientemente precisa.
La necesidad de efectuar un anlisis no lineal slo se podra plantear en el caso de que se
debiera proceder a una tercera fase de la evaluacin de acuerdo con el apartado 3.
5.2 Clculo de la inestabilidad
Los esfuerzos axiles no estn afectados por los efectos de segundo orden. La diferencia,
M, entre los valores de clculo de los momentos flectores determinados respectivamente
segn la teora lineal (primer orden), MSd,1, y segn la teora de segundo orden, MSd,2, se
puede expresar a travs de la relacin:
Sd,1
Sd,1Sd,2M M
MM (1)
La diferencia M se puede estimar mediante la siguiente aproximacin:
1 -
NN-1
1
crit
SdestM, (2)
NSd valor de clculo del esfuerzo axil para la disposicin considerada de las
cargas
Ncrit esfuerzo axil crtico para la misma disposicin de las cargas, determinado
segn la teora elstica
A efectos prcticos se adopta el siguiente procedimiento, para cada una de las
disposiciones de las cargas que podra ser determinante:
-
Las acciones se introducen en el modelo con sus valores de clculo (valores a
considerar en las verificaciones de los Estados Lmite ltimos; multiplicador k = 1.0).
Se incrementa el valor de todas las acciones, incluidas las permanentes,
multiplicndolas por el mismo factor k > 1.0.
El valor del multiplicador k para el que se produce un efecto de inestabilidad (figura
3), asumiendo un comportamiento elstico lineal de los materiales, se denomina
multiplicador crtico, kcrit.
La diferencia estimada, M,est, entre los valores de clculo de los momentos flectores
determinados respectivamente segn la teora lineal (primer orden), MSd,1, y segn la
teora de segundo orden, MSd,2, corresponde a:
1 -
k1-1
1
crit
estM, (3)
Conociendo la diferencia M,est, as como el valor de clculo de los momentos flectores
segn la teora lineal, MSd,1, se puede estimar el valor de clculo de los momentos
flectores segn la teora de segundo orden, MSd,2:
1,Sdest,M2,Sd M1M (4)
La verificacin de la seguridad estructural se efecta para las secciones transversales,
teniendo en cuenta la interaccin entre esfuerzo axil y momento flector (de segundo
orden) :
RdRddSd2,Sdd N;MRN;MS (5)
Sd valor de clculo de la solicitacin (esfuerzo axil, momento flector)
Rd valor de clculo de la resistencia correspondiente
MSd,2 valor de clculo del momento flector segn la teora de segundo orden
NSd valor de clculo del esfuerzo axil
MRd valor de clculo de la resistencia a flexin de la seccin
-
NRd valor de clculo de la resistencia a esfuerzos axiles de la seccin
Figura 3 Pandeo asimtrico del sistema
6. INTERVENCIN
El proceso constructivo adoptado para la realizacin de la solucin estructural descrita en
el apartado 4.2 resulta sencillo. Despus de la demolicin de la capa de rodadura y de las
impostas del puente existente, se procede a la ejecucin de unas rozas en la superficie del
hormign existente hasta descubrir las armaduras transversales existentes. Estas rozas se
ejecutan en unas franjas de 1.5 m de ancho a ambos lados del tablero mediante
hidrodemolicin (figura 4).
ANSYS 5.6 NOV 15 200020:13:28 DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1 FACT=51.733 PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.020218
1
X YZ
DSCA=99.9 XV =1.548 YV =.558856 ZV =.540896 DIST=12.415 XF =.022596 YF =.01724 ZF =2.701 A-ZS=-97.856 Z-BUFFER
RIO_SEGURA
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Figura 4 Ejecucin de rozas mediante hidrodemolicin
Para la ampliacin del tablero se utiliza un hormign de baja retraccin que se une con el
hormign existente mediante un puente de unin. A efectos del encofrado de los voladizos
del tablero se emplea un carro.
El conjunto de medidas mencionado (hidrodemolicin, puente de unin, hormign de baja
retraccin) contribuye a asegurar el trabajo solidario de los hormigones existente y nuevo.
Tambin permite atenuar la fisuracin del hormign nuevo vertido sobre el tablero
existente.
Figura 5 Puente sobre el ro Segura en Elche de la Sierra despus de la intervencin
(Fotografa: Paco Gmez)
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La sencillez de la solucin estructural adoptada y del proceso constructivo permiti
terminar los trabajos de ampliacin en la fecha prevista. La justificacin de la fiabilidad de
la estructura para las nuevas condiciones de utilizacin sin necesidad de reforzarla result
fundamental para el cumplimiento de los plazos. El puente ampliado (figura 5) se abri al
trfico en verano del ao 2001.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean expresar su agradecimiento a la Consejera de Obras Pblicas de la
Junta de Castilla La Mancha (D. Antoliano Hernndez Garca), propietaria del puente de
Elche de la Sierra, as como a la empresa Vas y Construcciones (D. Manuel Martn
Abella), adjudicataria de los trabajos de mejora de la carretera de Elche a Frez, que han
posibilitado y apoyado el estudio presentado.
REFERENCIAS
[EHE 1998] EHE: Instruccin de Hormign Estructural. Ministerio de Fomento, Madrid,
1998. ISBN 84-498-0390-X.
[IAP 1998] IAP: Instruccin sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de
carretera. Ministerio de Fomento, Madrid, 1998. ISBN 84-498-0348-9.
[Millanes 2000] MILLANES, F.: Inspeccin, evaluacin estructural y rehabilitacin de
varios puentes arco de la coleccin de D. J. Eugenio Ribera. En: Tcnicas Avanzadas
de Evaluacin Estructural, Rehabilitacin y Refuerzo de Estructuras (Instituto
Espaol del Cemento y sus Aplicaciones, IECA Levante, Ed.), Valencia, 2000. ISBN
84-931137-0-0, pp. 327-341.
[Tanner 1997] TANNER, P.: Interaction between planning, execution and evaluation of
tests. In : Evaluation of existing steel and composite bridges, IABSE Report n 76,
Zrich, 1997. ISBN 3-85748-091-2.
[Tanner 2000] TANNER, P. y ORTEGA, L.: Rehabilitacin de puentes del pasado. Una
tarea del futuro. Hormign y Acero, Madrid, n 216, 2000, ISBN 0439-5689, pp.
127-137.
