viaducto sobre el río almonte en el embalse de alcántara para la

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VIADUCTO SOBRE EL RÍO ALMONTE EN EL EMBALSE DE
ALCÁNTARA PARA LA LÍNEA FERROVIARIA DE ALTA VELOCIDAD
MADRID - EXTREMADURA. TALAYUELA - CÁCERES
Juan José ARENAS DE PABLO
Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Arenas & Asociados. Ingeniería de Diseño
Presidente
jjarenas@arenasing.com
Guillermo CAPELLÁN MIGUEL
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Arenas & Asociados. Ingeniería de Diseño
Director Técnico
gcapellan@arenasing.com
Héctor BEADE PEREDA
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Arenas & Asociados. Ingeniería de Diseño
Coordinador de Proyectos
hbeade@arenasing.com
Ignacio MEANA MARTÍNEZ
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Adif. Dirección General de Grandes Proyectos
Jefe de Proyectos II (Dirección de Estudios y Proyectos)
imeana@adif.es
RESUMEN
El viaducto sobre el Río Almonte en el Embalse de Alcántara para la nueva línea ferroviaria de
Alta Velocidad Madrid-Extremadura/Talayuela-Cáceres en su tramo Embalse de AlcántaraGarrovillas, se convertirá, en términos de luz principal, en el mayor puente arco de Alta Velocidad
construido, en el mayor puente arco ferroviario de hormigón y en el tercer mayor puente arco de
hormigón sin distinción de tráficos. Nuestra experiencia desde la concepción hasta la culminación
del proyecto constructivo de este gran reto para la ingeniería de nuestro país se describe en el
siguiente artículo.
PALABRAS CLAVE: Puente arco de tablero superior, alta velocidad, record mundial de luz,
hormigón de alta resistencia, estabilidad transversal, diseño de puentes
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1. Introducción
La nueva línea ferroviaria de Alta Velocidad Madrid-Extremadura/Talayuela-Cáceres, con tráfico
mixto y una velocidad máxima de de 330 km/hora para pasajeros y 100 km/h para mercancías
salvará, en el subtramo Embalse de Alcántara-Garrovillas, el río Almonte a su llegada al embalse
de Alcántara mediante un gran arco de hormigón de tablero superior, con una luz de 384 m y sus
cimentaciones situadas en el exterior del embalse. Este gran arco constituye el tramo principal de
un viaducto de 996 m de longitud (Fig. 1).
Este viaducto, cuya construcción comenzará a principios de 2011, se convertirá, en términos de
luz principal, en el mayor arco de Alta Velocidad del mundo (superando al puente Dashegguan en
China, con 336 m), en el mayor arco ferroviario de hormigón (sin restringirnos a la Alta Velocidad)
superando en más de 100 m al puente sobre el lago Froschgrund en Alemania en la línea
Nürnberg – Erfurt (270 m) y en el tercer mayor arco de hormigón si no se hace distinción de
tráficos (sólo superado por el puente Wanxian en China (420 m) y muy cerca del mayor de los dos
puentes entre las islas de Sveti Marko y Krk en Croacia (390 m)).
Figura 1. Alzados y perspectiva del Viaducto sobre el Río Almonte.
El proyecto de una estructura tan singular como esta, que además se ha realizado en un tiempo
muy reducido para la magnitud del problema a resolver, ha requerido de un grandísimo esfuerzo y
ha sido posible gracias a la participación y buen hacer de prácticamente la integridad de nuestra
oficina. Cabe mencionar, además de los firmantes del artículo, a: Emilio Merino, Santiago Guerra,
Pablo Alfonso, Javier Fernández, Ysabel Guil, Marianela García, Juan Ruiz, Diego González,
Pablo Cuesta…
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Figuras 2 y 3 (de arriba abajo). 2. Vista virtual general. 3. Fotomontaje en el entorno natural.
2. Condicionantes y estudio tipológico y de procedimiento constructivo
La solución que hemos proyectado es el resultado de una serie de condicionantes impuestos,
como la luz principal (al no ser posible disponer apoyos en el embalse) y de la profunda reflexión
sobre el problema a resolver y sobre la manera más adecuada de hacerlo teniendo en cuenta
criterios económicos, de durabilidad y de mantenimiento, constructivos y de integración en un
entorno natural de gran belleza.
Para determinar la mejor solución posible para resolver un cruce de esta magnitud teniendo en
cuenta estos parámetros, se realizó un análisis multicriterio tras un exhaustivo estudio de
alternativas en el que se analizaron y valoraron varias posibilidades tipológicas (Fig. 4) y distintos
procedimientos constructivos (Fig. 5).
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Establecida la luz principal, de unos 380 m, para salvar el Río Almonte en su llegada al Embalse
de Alcántara con las cimentaciones de ese vano fuera del embalse para un nivel de lámina de
agua correspondiente con su nivel máximo normal (cota 218 m), se analizaron varias alternativas
tipológicas que podrían resultar adecuadas para un viaducto ferroviario de alta velocidad con esa
luz: pórticos metálicos o de hormigón, arcos o atirantados con doble y simple plano de tirantes
(Fig. 4).
Figura 4. Algunas de las alternativas consideradas en el Estudio de Tipologías realizado para
determinar la solución más adecuada para el Viaducto sobre el Río Almonte.
Para la alternativa arco de hormigón y partiendo de la premisa establecida en fase de proyecto de
que no podían disponerse apoyos intermedios provisionales en el embalse durante la ejecución,
se analizaron tres alternativas de proceso constructivo (Fig. 5): arco ejecutado por avance en
voladizos sucesivos de dos semiarcos atirantados provisionalmente desde una torre temporal (5a),
arco ejecutado por avance en voladizos sucesivos como cordón inferior de dos grandes ménsulas
celosía siendo el propio tablero el cordón superior (5b) y esta misma alternativa pero, en este
caso, constituyéndose el cordón superior con unos tirantes provisionales que se retirarían una vez
se haya finalizado el arco (5c).
Se ha analizado además la variante, para las tres alternativas de procedimiento constructivo
planteadas, de izar una celosía auxiliar para la ejecución del tramo central del arco (con un tirante
inferior para estabilizar su geometría) en una longitud 120 m a 180 m (5d). Este elemento auxiliar
se montaría en una de las márgenes, se trasladaría a la sombra de su posición definitiva mediante
flotación y se izaría mediante un sistema de gatos hidráulicos.
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Fig5a. Avance en voladizo del arco con ayuda de torre de atirantamiento provisional
Fig5b. Avance en voladizo del arco como cordón inferior de una celosía con cordón superior formado por tirantes provisionales
Fig5c. Avance en voladizo del arco como cordón inferior de una celosía con cordón superior formado por el propio tablero
Fig5d. Avance en voladizo del arco con ayuda de torre de atirantamiento provisional + flotación de tramo central de arco
Figura 5. Algunas de las alternativas de proceso constructivo analizadas.
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De entre las distintas alternativas de
proceso constructivo analizadas, todas
viables y ya empleadas previamente con
éxito en puentes arco de luces elevadas, la
de avance en voladizo del arco con ayuda
de una torre de atirantamiento provisional
se consideró como ligeramente más
ventajosa en el caso del Viaducto sobre el
Río Almonte, pese a tener un menor
aprovechamiento de los propios elementos
del puente durante el proceso constructivo y
requerir una torre auxiliar y cables de gran
longitud, debido a su mayor capacidad de
control geométrico y por permitir, además,
llegar a presolicitar el arco de modo que se
compensen sus deformaciones elásticas
bajo cargas permanentes, pudiendo llegar a
hacer innecesaria la apertura en clave con
gatos hidráulicos tras su cierre.
Figura 6. Visualización del viaducto en construcción.
El viaducto se proyectó con este procedimiento constructivo (Fig. 6) y sin emplear el embalse para
flotar una celosía auxiliar para ejecutar la zona central del arco por no disponerse en ese momento
de los premisos necesarios para plantear esta flotación. De disponerse de este permiso y/o de la
autorización para ejecutar pilas provisionales en el embalse, podría reducirse la longitud de
voladizo en situación provisional y simplificarse el procedimiento de ejecución.
3. El puente proyectado
3.1. Descripción geométrica
El viaducto está constituido por tres zonas diferenciadas (Figs. 1, 2, 3 y 7), por un lado una serie
de siete vanos de acceso (lado Madrid) con luces de 36 m + 6x45 m y una configuración de
tablero continuo con sección cajón, por otro lado el vano principal sobre el Embalse de Alcántara
con un gran arco de 384 m de luz sobre el que se apoya el tablero (que mantiene su sección en
continuidad con los vanos de acceso) con una distribución de luces de 45 m + 6x42 m + 45 m y,
por último, una serie de ocho vanos de acceso (lado Cáceres) con una configuración análoga a los
de menor PK y una distribución de luces de 7x45 m + 36 m.
Con la distribución de luces entre pilas (cimentadas directamente al terreno) o pilastras
(apoyándose sobre el arco) se ha buscado, por un lado, disponer de un número suficiente de
apoyos sobre el arco a fin de obtener un buen comportamiento antifunicular con una directriz
curva (no poligonal) y, por otro, poder emplear un tablero con la misma sección en toda su
longitud, facilitando la ejecución y posterior conservación del viaducto. De este modo, se consigue
una estructura que de cara a mantenimiento y dentro del complejo problema a resolver, resulta la
más parecida a un puente convencional multivano de hormigón con sección cajón (materiales,
tecnología, secciones empleadas, tipo de aparatos de apoyo…). De hecho, observando el alzado
del viaducto, no es difícil asimilarlo a un cajón multivano con luces convencionales en el que se ha
sustituido el terreno por un arco en su zona de cruce sobre el embalse. Pensamos que, al mismo
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tiempo, esta solución genera una imagen estéticamente equilibrada, armoniosa y ordenada (Figs.
1, 2, 3 y 7).
Figura 7. Imagen virtual en escorzo del viaducto.
3.2. Tablero
El tablero del Viaducto sobre el Río Almonte será, tal y como se ha mencionado, una viga
hiperestática multiapoyada con sección cajón, de hormigón pretensado ejecutada in situ y con un
de canto constante en todo el viaducto de 3.10 m en eje (con bombeo transversal del 2%). Su
anchura total es de 14 m, permitiendo alojar la plataforma convencional de ADIF de doble vía de
ancho internacional con intereje constante de 4,70 m. El ancho de la tabla inferior del cajón es de
6,00 m, el de cada uno de los voladizos laterales de 3,30 m y los paramentos inclinados tienen
una proyección horizontal de 0,70 m.
Se ha planteado una relación canto-luz totalmente convencional para el tablero pero, la inevitable
flexibilidad del arco hace que, en este tramo y, pese a haberse reducido la luz tipo a 42 m frente a
los 45 m de los vanos de acceso, sean necesarias cuantías mayores de pretensado y un hormigón
de resistencia superior (HP-60 frente a HP-40) al ser la luz equivalente real algo superior a 60 m.
3.3. Arco
El arco, de hormigón autocompactante de alta resistencia (HAC-80), tiene sección octogonal
hueca de ancho y canto variables en sus 210 m centrales, bifurcándose a continuación en dos
pies de sección hexagonal irregular hasta sus arranques, para dotarlo de mayor estabilidad en
sentido transversal. Ambos pies se arriostran entre sí en la sección de las pilastras 7 y 14 (Figs. 7
y 8). En sus secciones de arranques el arco tiene un canto de 6,30 m, siendo la distancia entre las
caras exteriores de los pies de 19 m, y en clave tiene un canto de 4,20 m y un ancho de 6,00 m,
coincidente con inferior de tablero.
La bifurcación del arco en dos pies inclinados (Fig. 8), ya anteriormente utilizada en otros puentes
proyectados por nuestra oficina como el Puente de La Barqueta o El Puente del Tercer Milenio ([1]
a [5]), permite en este caso mejorar, optimizando el material empleado, el comportamiento del
puente ante acciones transversales y su respuesta ante fenómenos de inestabilidad fuera del
plano, lo que resulta de gran importancia en una estructura con esta luz y con una anchura de
tablero reducida debido a su carácter ferroviario.
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Figura 8. Definición general del arco.
Por su parte, la sección octogonal del
arco nace de la búsqueda de un
comportamiento aerodinámico adecuado,
muy importante en grandes luces como la
que estamos considerando, tal y como ha
quedado corroborado a través de los
ensayos realizados en túnel de viento de
capa límite, tanto para situación definitiva
como temporal durante la construcción.
3.3.1.
Unión arco-tablero
El arco y el tablero se vinculan en clave
conformando una sección de hormigón
única en una longitud de 30 m (Fig. 9) y
materializando el punto fijo de la estructura, aprovechando la presencia del arco y su carácter de
excelente transmisor de cargas horizontales. Esto da lugar a longitudes dilatables de 543 m hacia
el lado Cáceres y 453 m hacia el lado Madrid, lo que permite disponer juntas de dilatación
convencionales en ambos estribos.
Figura 9. Secciones transversales en zonas de unión arco-tablero.
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3.4. Pilas y pilastras y estribos
Tanto las pilas como las pilastras del viaducto tienen sección octogonal variable, siendo muy
valorable el hecho de que, por este motivo, su aerodinámica sea beneficiosa, en especial en el
vano del arco dada su gran luz. Tienen alturas que oscilan entre los 12 m de la pila 22 y los 65,30
m de la pila 15 y, todas salvo las 6 y 15 (que comparten cimentación con el arco) son de hormigón
HA-40, tienen paredes de 0,40 m de espesor y una zona superior maciza de 2,50 m de altura. Las
pilas 6 y 15, debido a su altura y a su función como soporte de la torre de atirantamiento durante
el proceso constructivo (y como torre en sí misma), son de hormigón HA-50, tienen paredes de
0,70 m y una zona maciza superior (a la que se anclan tirantes provisionales) de 38,50 m.
Los estribos son de hormigón armado, cerrados con aletas en vuelta.
3.5. Cimentaciones
Todas las cimentaciones (arco, pilas y estribos) se resuelven de manera directa sobre el sustrato
rocoso. Las cimentaciones del arco, que engloban también a sus pilas adyacentes (Figs. 7 y 8)
tienen forma poliédrica irregular escalonada y su geometría viene condicionada por la dirección de
las resultantes de esfuerzos transmitidas por el conjunto arco-pila y por la necesidad de adaptarse
del modo más óptimo posible a la variación longitudinal y transversal en la posición del estrato
rocoso sano, en el que se deben empotrar un mínimo de 2,00 m.
El atirantamiento necesario durante el proceso constructivo exige que las dos zapatas de cada
margen adyacentes a las cimentaciones del arco estén provisionalmente ancladas al terreno.
3.6. Aparatos de apoyo y barrera de protección de aves
Todos los apoyos del tablero se materializan mediante aparatos tipo POT convencionales de
neopreno confinado (todos con una carga máxima admisible de 20000 kN salvo los de estribos
(8000 kN) y los adyacentes a la unión arco-tablero (16000 kN)), disponiéndose un apoyo libre y
otro guiado longitudinalmente en cada pila o estribo. Provisionalmente durante la construcción y
bajo las torres de atirantamiento (pilas 6 y 15) se requieren apoyos fijos de 83000 kN de
capacidad, que se reemplazarán por parejas fijo-libre tipo de 20000 kN de capacidad una vez
cerrado el arco y retiradas las torres.
Para evitar la colisión de aves con el material móvil del modo más transparente posible, se han
dispuesto en este viaducto, sustituyendo a las habituales barreras opacas de 3 m de altura,
barreras de protección discretas constituidas por perfiles tubulares con la misma altura máxima.
4. Comportamiento estructural
Figura 10. Modelos de cálculo a puente cerrado (izda.) y durante el proceso constructivo (dcha.).
Los cálculos estructurales realizados para el proyecto de este viaducto, por su extensión y
complejidad, requerirán de un artículo específico. A modo de muy breve resumen, cabe decir que
se ha realizado un modelo de cálculo evolutivo en el que se han incluido todas las fases del
proceso constructivo (Fig. 10) y se ha realizado un análisis en segundo orden con
predeformaciones iniciales de hasta L/400 (48 cm) teniendo en cuenta además el comportamiento
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no lineal de hormigón y acero, la fisuración seccional en ELU y redistribuciones reológicas. Se ha
garantizado el cumplimiento de todos los ELS recogidos en la IAPF-2007 así como la seguridad
de la estructura en ELU según distintos formatos.
Como criterio de diseño, para asegurar una adecuada durabilidad y evitar amplificaciones
dinámicas por pérdida de rigidez, se ha establecido que el arco no debe fisurar durante su
construcción ni bajo cargas de servicio durante su vida útil.
5. Ensayos de túnel de viento
La importancia de la luz a salvar hace imprescindible tener en cuenta efectos aeroelásticos
(fenómenos oscilatorios crecientes provocados por la interacción viento-estructura) para el
proyecto del Viaducto sobre el Río Almonte, ya no sólo porque supera los 200 m de luz a partir de
los cuales lo exige la IAPF-2007, sino porque las frecuencias propias de vibración de la estructura
(por debajo de 0,30 Hz en sus primeros modos) indican que la estructura puede ser sensible a
estos efectos. Se ha realizado un estudio completo de respuesta al viento sobre del viaducto, a
partir de una campaña de ensayos estáticos y dinámicos sobre modelos seccionales de arco y
tablero, y de una campaña de ensayos aeroelásticos en túnel de viento de capa límite (realizado
en el túnel de viento de Capa Límite II de la Universidad de Western Ontario, Canadá), sobre
modelos del puente completo y durante su construcción (Fig. 11).
Estos estudios, que se describen en más detalle en un artículo específico, han validado la
estructura en servicio y durante su construcción (siendo necesario realizar un seguimiento
específico en este último caso) y han puesto de manifiesto lo importante que ha resultado el
empleo de secciones de marcado carácter aerodinámico desde la fase inicial de diseño.
Figura 11. Ensayos aerodinámicos y aeroelásticos en túnel de viento.
6. Referencias
[1]
ARENAS, J.J. y PANTALEÓN M.J., “El Puente de La Barqueta sobre el viejo cauce del Río
Guadalquivir, en Sevilla,” Revista de Obras Públicas, Y. 139, No. 3311, Jun. 1992, pp. 47–63.
[2]
ARENAS, J.J., BEADE, H. y ORTEGA, A., “El Puente del Tercer Milenio: un hito simbólico de
la ciudad,” Cauce 2000: Revista de la Ingeniería Civil, No. 141, 2008, pp. 18–25.
[3]
ARENAS, J.J., CAPELLÁN, G., BEADE, H., MARTÍNEZ, J. y ORTEGA, A., “El Puente del
Tercer Milenio sobre el Río Ebro en Zaragoza,” Revista de Obras Públicas, Y. 155, No. 3490,
Jul.-Aug. 2008, pp. 75–98.
[4]
ARENAS, J.J., CAPELLÁN, G., BEADE, H., MARTÍNEZ, J. y ORTEGA, A., “El Puente del
Tercer Milenio sobre el Río Ebro en Zaragoza,” Rutas: Revista de la Asociación Técnica de
Carreteras, No. 127, Jul.-Aug. 2008, pp. 61–64.
[5]
ARENAS, J.J., CAPELLÁN, G., BEADE, H. y MARTÍNEZ, J., “El Puente del Tercer Milenio.
Retos en el diseño de puentes desde la perspectiva de la ingeniería creativa (I/II/III).
Génesis de formas/Desarrollo/Comportamiento y Cálculo” IV Congreso de ACHE. Valencia,
Madrid: ACHE Asociación Científico-Técnica de Hormigón Estructural, Nov. 2008, pp. 343-348.
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