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Realizaciones: puentes y pasarelas

PUENTE CHILINA SOBRE EL RIO CHILI EN AREQUIPA, PERU. PUENTE AVANCE EN VOLADIZOS SUCESIVOS EN ZONA DE ALTA SISMICIDAD

Miguel SACRISTÁN MONTESINOS Ingeniero de Caminos, C. y P. Arenas & Asociados Coordinador de Proyectos msacristan@arenasing.com

Guillermo CAPELLÁN MIGUEL Ingeniero de Caminos, C. y P. Arenas & Asociados Director Técnico gcapellan@arenasing.com

Emilio MERINO RASILLO Ingeniero de Caminos, C. y P. Arenas & Asociados Coordinador de Proyectos Madrid emerino@arenasing.com

Javier FERNANDEZ ANTÓN Ingeniero de Caminos, C. y P. Arenas & Asociados Jefe de Proyecto jfernandez@arenasing.com

RESUMEN

El Puente Chilina es un viaducto de hormigón pretensado de 562 m de longitud con dos tableros de ancho 11.3 m en Arequipa (Perú) con esquema de vanos: 100+157+142+102+61 m, construido por avance en voladizo. La alta sismicidad de la zona alcanza aceleraciones básicas (PGA) de 0.6g. El análisis sísmico se realiza según especificaciones AASHTO para un terremoto de 1000 años de periodo de retorno. La sección tipo es un cajón con canto variable, con un canto igual a 1/18 del vano principal sobre pilas, y 1/40.25 en centro de luz. Los tableros son fijos a las pilas 1, 2 y 3, con canto de 8.70 m sobre pilas 1 y 2, variando hasta 3.90 m en centro de luz y estribos. El avance en voladizo se realiza mediante carros de avance para dovelas de 5.1 m de hasta 185 ton. El vano principal de 157 m requiere la ejecución de voladizos de 77.4 m de longitud. Las pilas de hasta 40 m de altura se apoyan en cimentación pilotada de diámetro 1.50 m.

PALABRAS CLAVE: avance en voladizo, alta sismicidad, Perú, AASHTO, pilas altas

Figura 1. Infografía del Puente Chilina en Arequipa, Perú.

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1. Descripción de la estructura

1.1. Emplazamiento El Puente Chilina se sitúa en Arequipa, en el Sur de Perú. Arequipa es la segunda ciudad del país, con aproximadamente 800.000 habitantes. El nuevo puente se sitúa en la zona Norte de la ciudad, cruzando el valle Chilina, surcado en el fondo por el río Chili. En esta zona el valle tiene una anchura de más de 500 m y una profundidad aproximada de 50 m. El valle y el río Chili suponen un obstáculo para unir distritos de la ciudad de Arequipa densamente poblados y en crecimiento en uno y otro margen. Los puentes que cruzan el río Chili son escasos y se sitúan todos hacia el Sur en la zona centro, creando una situación de tráfico denso y a menudo colapsado. El nuevo puente forma parte de una vía troncal interconectora para aliviar esta situación. El Puente Chilina una vez construido será el mayor puente urbano de Perú (ver Figura 1). La construcción comenzó en Marzo de 2013 y finalizará al final de 2014. La obra es iniciativa del Gobierno Regional de Arequipa (GRA), financiada por la iniciativa privada del Consorcio Inversionista del Puente Chilina. El contrato de Proyecto y Obra corre a cargo del Consorcio Constructor del Puente Chilina (Isolux Corsan, Incot, Metric), siendo Arenas & Asociados los autores del Expediente Técnico (Proyecto constructivo) y la ingeniería de construcción.

El fondo del valle es una zona verde que incluye zonas de campiña, y viviendas, así como algunas industrias. En concreto el puente en su emplazamiento debe salvar el cauce del río Chili de aproximadamente 30 m de anchura, pero también y sobre todo la fábrica EGASA con una anchura de unos 140 m, sin disponer apoyos ni afectar a su actividad.

El puente se sitúa en una zona de alta sismicidad, con aceleración básica de 0.60g para el sismo de diseño con periodo de retorno de 1000 años, lo que condiciona su diseño y análisis estructural.

Figura 2. Alzado del Puente Chilina en Arequipa, Perú.

1.2. Características generales

La tipología elegida para el Puente Chilina es la de viaducto de hormigón pretensado con sección

cajón de canto variable, construido mediante avance en voladizo. Las pilas principales de avance

de hasta 40 m de altura se empotran el tablero para completar la configuración aporticada frente a

sismo, como vemos más adelante. El puente está formado por dos tableros paralelos de 11.3 m,

separados 2 m.

La longitud del puente es de 562 m para cruzar la totalidad del valle Chilina y limitar la altura de

estribos a 12 y 16 m respectivamente. La luz principal de 157 m viene fijada por la necesidad de

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respetar la fábrica EGASA existente. Como resultado se define el siguiente ritmo de luces:

100.0+157.0+142.0+102.0+61.0m. (ver Figura 2)

El trazado en planta es curvo en los vanos inicial y final para enlazarse con el trazado de la vía

conectora prevista, con un radio 400 m en vano 1 de 100 m junto a Estribo 1, y radio 280 m en el

vano 4 de 61 m junto a estribo 2. Como resultado de esta curvatura los tableros Norte y Sur no

son idénticos, sino que poseen una luz levemente diferente en el último vano junto a Estribo 2. Sin

embargo en el vano 1 junto a Estribo 1 ambos tableros poseen una luz igual de 100 m, debido al

esviaje del Estribo 1, que responde al cruce bajo el viaducto en este punto de la Avenida Chilina.

El encaje geométrico de trazado en alzado permite que la totalidad de la estructura se encuentre

en una alineación recta en alzado de pendiente constante 2.45%.

Las pilas de los dos tableros poseen cimentación común con un único encepado pilotado por

alineación de pilas, con pilotes de diámetro 1.5 m y longitud de hasta 26 m. Los estribos son

cerrados y poseen topes de apoyo transversal antisismo.

Figura 3. Sección tipo en centro del vano del Puente Chilina.

1.3. Tableros

El puente Chilina consta de dos tableros paralelos de 11.30m de anchura cada uno separados dos

metros, para alojar cada tablero una plataforma asfaltada de 10.50m. Esta plataforma se

distribuye en una calzada dos carriles de 3.60m cada uno, berma exterior de 0.5 m y berma

interior de 2.80m. En el tramo de estructura recto en planta los tableros mantienen una pendiente

transversal constante con bombeo del 2% para cada plataforma como se indica en la Figura 3. En

los tramos en curva, la losa superior de los tableros gira para adaptarse progresivamente a los

condicionantes de peralte transversal del trazado, hasta un máximo del 4% de peralte transversal.

Los tableros se encuentran empotrados en los pilares 1, 2 y 3 variando su canto vertical entre 8.70

m en diafragmas sobre pilares 1 y 2 hasta 3.90 m en centros de vanos y en el entorno de los

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apoyos en estribos. El tablero en diafragma sobre pilar 3 reduce su canto hasta 7.80 m

manteniendo el canto de la sección constante de 3.90 m sobre el diafragma de pilar 4. El tablero

se apoya por medio de aparatos de apoyo en el pilar 4, deslizantes en longitudinal y con topes

transversales antisismo en transversal. Los apoyos en estribos se realizan también con aparatos

de apoyo deslizantes en longitudinal y con topes transversales antisismo. La variación de canto es

parábólica optimizando la disposición de concreto a las necesidades estructurales del viaducto

con una ley a fin a la de flectores de peso propio y permanente.

El peralte sobre pilares representa una relación aproximada de 1/18 con relación a la luz de los

vanos principales centrales, valor habitual en este tipo de estructuras. La relación entre canto en

centro de vanos y luz principal resulta 1/40.25, valor también dentro del rango habitual en este tipo

de estructuras.

La separación transversal de 2 m es necesaria por razones constructivas, para el paso de los

carros de avance que permiten la ejecución en dovelas de voladizos, la implantación paralela de

las consolas de dovela 0, y para garantizar que los tableros no chocan entre sí en caso de sismo,

ya que se obtienen estimaciones de movimiento máximo transversal de tablero en caso de sismo

de 1000 años (SEE) de aproximadamente 1 m.

La sucesión de luces busca el mejor equilibrio entre vanos una vez fijada la luz principal de 157 m.

El vano entre Estribo 1 y pila 1 presenta una longitud de 100 m que representa el 64% de la luz

del vano principal contiguo 2 de 157 m. El vano 3 presenta una longitud de 142 m, que representa

el 90% de la luz del vano principal 2 de 157 m. El vano 4, de 102 m de longitud representa el 72%

de la longitud del vano anterior. El vano lateral 5 situado al Oeste presenta una longitud de 61 m

que representa el 59% de la luz del vano adyacente. Debido a la curvatura si en esta zona si bien

el último vano tiene 61 m en el eje central de trazado entre tableros, la longitud de vano en el eje

de cada uno de los tableros es levemente diferente.

El pretensado incluye las familias del pretensado de construcción de voladizos en losa superior, el

pretensado de continuidad en losa inferior en centros de vano, y el pretensado en almas en los

vanos inicial y final construidos sobre cimbra. El pretensado de construcción en pilas 1 y 2 está

formado por 56 tendones de 12, 15 y 19 uds de 0.6” según el tendón (4 tendones por cada una de

las 14 dovelas). En pila 3 el pretensado de construcción está formado por 44 tendones de 12, 15 y

19 uds de 0.6” según el tendón (4 tendones por cada una de las 11 dovelas). El pretensado en

cada centro de vano está formado por entre 18 tendones de 12 o 15 uds de 0.6” según el caso. El

pretensado de almas está formado por tendones de 31 uds de 0.6”. La cuantía de pretensado

resultante es de aproximadamente 54 kg/m2. (ver Figura 4)

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Figura 4. Esquema general de pretensado del Puente Chilina.

Figura 5. Infografía vista aérea del Puente Chilina

1.4. Pilas

Los pilares 1 y 2 presentan una altura similar (35.0 y 39.7 m), mientras que el pilar 3 presenta una

altura de 28.9 m y el pilar 4 una altura de 21.1m. Todas las pilas se han diseñado con sección

constante de anchura 6.20m, y canto 4.35 m para los pilares 1, 2, y 3 empotrados desde los que

se realiza el avance en voladizo, y de canto 3 m en pilar 4 apoyado. Las pilas poseen sección

rectangular con núcleos octogonales concentrados en esquina adecuadas para puentes en zonas

de alta sismicidad (ver Figura 6). La sección constante de pilas responde al hecho de que el

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Cortante plástico de diseño sísmico es constante en toda la altura y resulta dimensionante en la

mayoría de los casos dada la alta sismicidad.

Figura 6. Secciones tipo de pilas 1 a 3, y pila 4 del Puente Chilina.

Cada alineación de pilas está formada por dos fustes iguales paralelos separados 13.3 m, que poseen sin embargo una cimentación común pilotada sobre encepado. Las cimentaciones de pilares están formadas por 26, 26, 24 y 26 pilotes de diámetro 1.50 m respectivamente en pilas de 1 a 4. El dimensionamiento de la armadura de pilotes y encepados está gobernado por el cálculo sísmico.

1.5. Estribos Los estribos son elementos fundamentales del Puente Chilina ya que actúan como elementos fijos en dirección transversal para cargas de sismo, disponiendo topes transversales antisismo a cada la de cada uno de los tableros. El estribo 1 tiene una anchura de 34.30 m con una altura aproximada de 12 m, y el Estribo 2 tiene una anchura de 25.5 m y una altura aproximada de 16 m. Ambos dan apoyo a los dos tableros de 11.3 m. La mayor anchura del Estribo 1 se debe al esviaje del estribo y al sobreancho local de los tableros en esta zona por la confluencia de los ramales Norte y Sur de acceso al puente desde la Avenida Chilina que cruza bajo el puente junto al Estribo 1. La cimentación pilotada de estribos está formada por 23 y 18 pilotes de 1.50 m respectivamente. El Estribo 1 tiene una configuración cerrada con aletas (ver Figura 7). Por su parte el Estribo 2 tiene una configuración singular hueca debida a su altura y al hecho de que a continuación del puente se prevé un marco de paso inferior para el cruce de un camino. Las juntas de dilatación en estribos específicas para sismo permiten desplazamientos de hasta 560 mm (+/- 280 mm), y poseen fusibles que evitan el colapso para desplazamientos mayores.

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Figura 7. Definición geométrica del Estribo 1 del Puente Chilina.

2. Procedimiento constructivo El puente continuo segmental se construye mediante avance en voladizos simétricos con carros de avance desde los pilares, y con dos tramos cimbrados anexos uno a cada estribo. Una vez ejecutada la subestructura, es decir, pilares y estribos, se comienza la construcción de cada tablero. Sobre el pilar 1 se ejecuta la dovela 0 de 6+6m sobre consola, y se continúa con la ejecución de las dovelas de avance en voladizo ejecutadas sobre carro para un total de 14 dovelas de 5.10m a cada lado completando un voladizo máximo de 77.4m (6.00+14x5.10m) desde el eje de apoyo a cada lado. Con un desfase en el tiempo de acuerdo al cronograma se comienza la ejecución del voladizo tablero desde eje de pilar 2 con las mismas características del voladizo de pilar 1 descritas en el párrafo anterior. Tras otro desfase temporal, se comienza la ejecución de tablero desde pilar 3. En este caso se ejecuta la dovela 0 de 6+6m sobre consola y se continúa con la ejecución de las dovelas de avance en voladizo ejecutadas con carro para u total de 11 dovelas de 5.10m a cada lado completando un voladizo máximo de 62.10m. Con este cronograma de actividades asociadas al tablero se requieren tres parejas de carros para optimizar el plazo. En los vanos centrales se ejecutan unas dovelas de cierre de 2.20m en vano 1 y 2.5 m en vano 2 para completar los vanos. El vano 1 requiere ejecutar 22.6m de tablero sobre cimbra para completar el vano de 100.0m de longitud junto al estribo 1. Los tableros de vano 4 parcialmente (38.50m de 102.00 m) y vano 5 completamente (61.00 m)se ejecutan sobre cimbra apoyada en el terreno.

Figura 8. Esquema del procedimiento constructivo de avance en voladizos sucesivos.

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Figuras 9 y 10. Imágenes de la obra del Puente Chilina durante la ejecución de encepados y pilares.

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3. Análisis sísmico El análisis sísmico se realiza según especificaciones AASHTO y CALTRANS a petición de la Supervisión del proyecto para un terremoto de 1000 años de periodo de retorno (SEE, terremoto de evaluación de seguridad). También se considera un terremoto con periodo de retorno 100 años como sismo de construcción y como terremoto de servicio (FEE, terremoto de evaluación de la funcionalidad). La filosofía de diseño sísmico es la de diseño por capacidad. El esquema resistente a sismo es el de un puente empotrado en pilas, con formación de rótulas plásticas en dirección transversal en cabeza de pilas, y en dirección longitudinal en base y cabeza de las pilas. Los encepados pilotados y tableros se encuentran protegidos por capacidad en la medida que se diseñan para resistir los esfuerzos de formación de las rótulas plásticas con un factor de sobrerresistencia. El diseño se realiza en desplazamientos comprobando que las demandas de desplazamiento previstas para los sismos de cálculo, son menores que las capacidades de desplazamiento de la estructura para el nivel de daño admisible en cada caso. Se realizó en colaboración con sismólogos especializados el Estudio de Riesgo Sísmico Local para definir mediante estudio probabilístico el espectro de diseño en roca. Para ello se parte de los datos estadísticos existentes de las bases históricas de terremotos de la zona, y se utilizan los datos geotécnicos y geofísicos del emplazamiento (refracción sísmica) para realizar un tratamiento probabilístico. Para el estudio de interacción suelo-estructura se colaboró con expertos en comportamiento de pilotes bajo sismo para el desarrollo de las matrices de rigidez y de masas para sismo de las cimentaciones y para la obtención de los sets acelerogramas a aplicar a cada cimentación (kinematic Time histories), así como el espectro de diseño en superficie. (ver Figura 11) con aceleración PGA de 0.60g.

Figura 11. Espectro de diseño en superficie del terremoto de periodo de retorno 1000 años.

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La obtención de las demandas de desplazamiento se realiza mediante el doble procedimiento de Análisis multimodal espectral y Análisis Time History no lineal, en base a los acelerogramas obtenidos. La obtención de las capacidades de desplazamiento se realizn de acuerdo a un análisis Push Over no lineal. Los análisis requieren la consideración de las características esperadas de los materiales, la obtención de los diagramas Momento-Curvatura de cada una de las rótulas plásticas (ver Figura 12), la obtención de los modos de vibración, el uso de modelos de histéresis adecuados a la estructura, etc.

Figura 12. Ejemplo de diagrama Momento curvatura en rótula plástica de una de las pilas. Las demandas de desplazamiento sísmico obtenidas son tan altas como 90 cm en dirección transversal y 45 cm en longitudinal. Arenas & Asociados realizó el análisis sísmico colaborando con sismólogos para el estudios de riesgo sísmico local y especialistas en la interacción suelo-estructura para los pilotes de diámetro 1.5 m de hasta 26 m bajo cargas sísmicas.

4. Conclusiones La estructura del Puente Chilina constituye un viaducto de grandes dimensiones que marca un hito ingenieril tanto en la ciudad de Arequipa, como en Perú, con sus 562 m de longitud, 22.6 m de ancho total de tablero en dos tableros separados y alturas de pilas de hasta 40 m. La alta sismicidad del emplazamiento determina el desarrollo del proyecto requiriendo de estudios y análisis singulares para su cálculo y validación. Como resultado el puente posee disposiciones constructivas que responden de forma directa a este condicionante sísmico. El reto de llevar adelante un proyecto de estas características y de construirlo dentro de unos plazos de ejecución limitados sólo es posible gracias al esfuerzo de un amplio grupo de profesionales y empresas, de las que nos sentimos orgullosos de formar parte.