Diseño estructural, construcción, transporte y montaje de viaductos viales y ferroviarios


*Por el Ing. Martín Polimeni, profesor de asignaturas de Maestría y Posgrado en el Departamento de Construcciones y Estructuras de la FIUBA. EEPP SA. Contacto: eeppsaingenieria@gmail.com

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CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL
Elegida la opción de realizar un viaducto por sobre otras alternativas posibles, el diseño estructural estará principalmente regido por:
Análisis de las ventajas y desventajas de sistemas preomoldeados vs. in situ.
Disponibilidad de lugar para la instalación de planta de premoldeados y playa de acopio.
Dificultad en el transporte de premoldeados.
Cantidad de vías o ancho de calzada y geometría de la traza.
Disponibilidad y accesibilidad de equipos de montaje.
Lugar de implantación de la obra (zona urbana, cruce fluvial, zona montañosa, etc.).
INFRAESTRUCTURA – PILAS Y FUNDACIONES
Monopilas (columna circular, rectangular, “hipódromo” y capitel).
Pórticos – viga dintel (H°A° o H°P°) y dos o más columnas.
Fundaciones mediante monopilotes o cabezal de pilotes.
Estribos cerrados o abiertos (integrales, semi-integrales o simples)
SUPERESTRUCTURA
Luces entre 30 a 110 m (premoldeado) y entre 70 a 300 m (in situ) dependiendo de:
Sistema estructural, simplemente apoyado o continuo.
Sistema de montaje (Full Span / Span by Span / Voladizos Balanceados / Lanzamiento Incremental (Empuje o Arrastre)).
Sistema de construcción (premoldeado 30 a 110 m o in situ 70 a 300 m – Hcte 30 a 60 m y Hvar 70 a 300 m).
Tipos y capacidad de equipos de montaje (equipo de lanzamiento, grúas, Megalift, encofrados transportables, etc.) – Luces recomendadas hasta 60 m.
Características del suelo de fundación.
Interferencias, cruces, etc.
Secciones usuales:
Vigas cajón premoldeadas.
Vigas nabla o artesa y losa in situ o paneles de losa premoldeados
Vigas U (una o dos vías) o doble U / W premoldeadas o in situ.
Vigas doble T o I premoldeadas y losa in situ o paneles de losa premoldeados.
Vigas Z o L premoldeadas y losa inferior in situ.
Materiales:
Hormigón armado.
Poco usual para las vigas de rigidez en luces habituales y/o convenientes. Utilizado en losas de tablero (luz moderada).
Leve afectación por fatiga.
Hormigón pretensado o postesado (interno, externo o mixto).
Usualmente utilizado en vigas de rigidez para las luces habituales.
Postesado transversal en caso de dos o más vías.
Leve afectación por fatiga.
Acero.
Utilizado en vigas de rigidez. Estructuras más livianas para igualdad de luces.
Facilidad de montaje.
Ingeniería, construcción y QA/QC de mayor expertise.
Alta afectación por fatiga. Suele ser dimensionante de algunos elementos estructurales principales.
Mixto hormigón – acero.
En general, ventajas y desventajas intermedias entre ambos casos.
Moderada afectación por fatiga.
Luces recomendadas según la luz a salvar para la construcción por segmentos.
Premoldeados: 20 a 110 m. Generalmente montaje mediante equipos de lanzamiento o grúas (span by span, voladizos balanceados, full span)
In situ: 70 a 300 m (recomendable hasta 250 m): generalmente mediante encofrados móviles por voladizos balanceados. (Figura N° 1)
Equipos de lanzamiento en construcción por segmentos
Vano a Vano (span by span). Generalmente con equipo de autolanzamiento de segmentos. Ejecución se segmentos mediante el método Short line.
Voladizos balanceados (balanced cantilever). Generalmente con equipo de autolanzamiento de segmentos o pórticos de izaje. Hasta 70 m de luz se utilizan segmentos premoldeados. Ejecución se segmentos mediante el método Short line. Para luces superiores a los 70 m, los segmentos se ejecutan in situ con encofrados transportables.
Avance progresivo (span by span). Los segmentos se van montando progresivamente soportados por torres de atirantamiento o pilas de apoyo temporarias. Ejecución se segmentos mediante el método Short line.
(Figuras N° 2 A, B, C y D)
Equipos de lanzamiento en construcción a vano entero
Vano entero (full span). Generalmente con equipo de autolanzamiento de vano entero premoldeado o cimbra autoportante transportable (Movable scaffolding), construcción in situ.
Lanzamiento incremental (incremnetal launching). Se ejecuta in situ, en un extremo del viaducto para luego arrastrar o empujar la estructura, la cual desliza por sobre las pilas intermedias a mediada que el lanzamiento progresa. En su extremo opuesto, posee “nariz” de acero que permite disminuir la luz en voladizo durante el lanzamiento. Pueden o no existir pilas temporarias. Ejecución de los tramos mediante el método Long line. Luces hasta 60 m. (Figura N° 3 A, B y C)
Equipos de lanzamiento en construcción de vigas individuales
Vigas individuales. Lanzamiento mediante equipo de lanzamiento shiter girder de vigas premoldeadas nabla, artesa, T, I, etc. individuales, con posibilidad de traslación trasversal durante el posicionamiento. Posteriormente la losa de tablero se ejecuta in situ o mediante paneles prefabricados. (Figuras N° 4 A y B y Figuras N° 5 A, B y C)
Las secciones de tablero más usualmente utilizadas son (excluyendo las soluciones colgantes, atirantadas o en arco):
Vigas individuales pre o postesadas T o I con losa in situ o paneles premoldeados para luces hasta 50 m (preferentemente hasta 35 m).
Vigas individuales pre o postesadas nabla o artesa con losa in situ o paneles premoldeados para luces hasta 60 m (preferentemente hasta 45 m).
Secciones postesada U por segmentos para luces hasta 50 m (preferentemente hasta 35 m).
Sección postesada cajón unicelular por segmentos para luces hasta 50 m (vano a vano de altura constante), 110 m (voladizos balanceados premoldeados, en general de altura constante hasta los 70 m y variable por encima de los 70 m) y hasta 300 m (voladizos balanceados in situ, en general, de altura variable. Preferentemente hasta 250 m).
Secciones mixtas (I o cajón), hormigón – acero, para luces hasta 250 m (usualmente hasta 120 m) dependiendo del esquema estructural (continuo o simplemente apoyado), tipología (altura contante o variable, alma llena o calada) y del sistema de montaje (izaje, voladizos balanceados, lanzamiento incremental, etc.). Se montan las secciones de acero mediante grúas, voladizos sucesivos o lanzamiento incremental y luego se ejecuta la losa de tablero in situ o mediante paneles premoldeados.
Secciones pre o postesadas L o Z y losa inferior in situ (menos usual). (Figuras N° 6 A, B, C y D)
Secciones menos usuales
Para ciertos casos particulares existen secciones menos usuales tales como las secciones de hormigón postesado multicelular y las secciones cajón postesado con alma de acero corrugado o reticulado. Las primeras tienen relevancia para anchos de la losa superior de importancia (varias vías o carriles) y las segundas se utilizan para disminuir el peso propio de la estructura lo cual redunda, fuertemente, en la disminución de la capacidad de los equipos de autolanzamiento, y con ello en su costo, el cual suele ser de considerable relevancia. (Figuras N° 7 A, B y C)
Ciclos de construcción
Unas de las importantes ventajas de los sistemas de construcción sistematizada y en línea es la reducción del tiempo de ejecución de la obra. Para ello es imprescindible conocer el ciclo de construcción de cada tramo de puente. (Figuras N° 8 A y B)

Equipos e instalaciones de la planta de premoldeados
El estimar y programar correcta y detalladamente cada una de las tareas necesarias para cumplir un ciclo de montaje de un tramo es crucial para cumplir, en tiempo y forma, con los plazos parciales y totales estipulados en los contratos de ejecución de este tipo de obras. Para ello debe determinarse distintos factores de importancia para llevar a cabo dicha programación, como los son la cantidad de moldes necesarios, área necesaria de la playa de acopio, capacidad y cantidad de pórticos de movimientos internos, área de trabajo en la nave de premoldeados, puentes grúa, etc. (Figuras N° 9 A, B y C y Figuras N° 10 A y B)
Sistemas de ejecución short line y long line
Con el fin de asegurar el correcto ensamble de los segmentos, existen dos líneas de producción de tramos o segmentos:
Línea corta (short line): para segmentos o dovelas, en el cual un segmento es máscara del siguiente (sistema de segmentos conjugados). Esta metodología permite asegurar el correcto ensamble en obra, independientemente de la complejidad de la traza del viaducto (curvas horizontales, verticales, peraltes, etc.). Principalmente utilizado en métodos por segmentos prefabricados vano a vano y voladizos balanceados.
Línea larga (long line): conceptualmente análogo al anterior con la diferencia en que se utiliza para la losa inferior o sofito, los laterales externos de las almas y alas en voladizo, un encofrado a tramo entero fijo apoyado en el suelo mientras que para el interior de las almas y la losa superior entre almas, se utiliza un encofrado interno y móvil, también a tramo entero. Principalmente utilizado en método por segmentos in situ por lanzamiento incremental. (Figuras N° 11 A, B y C)
Componentes y sistemas en una viga cajón unicelular
Cables de continuidad y de ménsula.
Barras de pretensión temporal.
Llaves de corte.
Blisters.
Desviadores laterales y central.
Diafragmas de anclaje.
Alternativa de postesados locales. Transversal de losa de tablero (alas en voladizo de importante luz), vertical en almas, transversal en desviadores, transversal y longitudinal de diafragmas de anclaje. (Figuras N° 12 A, B, C y D)
Método de construcción acelerada de puentes ABC (Accelerated Bridge Contruction)
El método de construcción acelerada de puentes (ABC) es, en la actualidad, el más moderno y mayormente utilizado en la ejecución de nuevos puentes en los países más desarrollados del mundo. Está, principalmente, basado en la ejecución de elementos prefabricados de fácil transporte y rápido montaje. Mejora significativamente la constructividad y tiempos de ejecución con la consiguiente reducción de costos. Requiere mayor expertise de ingeniería y management de la obra.
Mejora:
Constructividad in situ.
Tiempo total de construcción.
Seguridad para el tránsito público en obra.
Reduce:
Perturbación del tráfico.
Tiempo de ejecución in situ.
Demoras por cuestiones climáticas.
(Figura N° 13)
PBES (Prefabricated Bridge Elements and Systems)
Estribos y fundaciones.
Columnas, capiteles y dinteles.
Vigas de rigidez.
Paneles para losa de tablero.
El sistema requiere del diseño de uniones de estos elementos prefabricados mediante un correcto análisis estructural e ingeniería de detalle, con el fin de asegurar que su comportamiento sea análogo a una construcción monolítica. Este factor es particularmente importante en zonas de alta sismicidad, donde las zonas de capacidad protegida y articulaciones “fusibles” de cada estructura deben cumplir con los requerimientos de desempeño sísmico fijados por las normas.
Conexiones (fusibles) entre PBESs:
UHPC (Ultra High Performance Concrete) / ECC (Engineered Cementitious Concrete).
Superelastic Shape Memory Alloy (SMA).
Self-Centering Columns.
Adicionalmente, los aisladores sísmicos, los cuales reducen considerablemente el periodo de oscilación de la estructura y los disipadores sísmicos que incrementan el amortiguamiento de éstas generando, en ambos casos, una disminución de consideración en la respuesta sísmica de la estructura, son otras alternativas de diseño para cumplir con los requerimientos de desempeño fijado por las normas.
(Figuras N° 14 A, B , C , D y E y Figuras N° 15 A, B, C y D)
Paneles para losa de tablero.
Luego de montadas las vigas de rigidez, en las versiones que requieren la ejecución posterior de la losa, ésta puede ejecutarse en reemplazo de la tradicional ejecución in situ, mediante paneles premoldeados de hormigón (de espesor total o parcial). Sus dimensiones son convenientemente elegidas de acuerdo a las posibilidades de transporte y montaje. Los paneles luego son unidos entre sí mediante llaves de corte, postesado longitudinal, cruce de barras de armadura, etc. Diferentes detalles de uniones entre paneles se encuentran precalificados por las normas y bibliografía afín. La elección del sistema de unión entre paneles dependerá de si la junta es longitudinal o transversal, de la calidad del hormigón (alta o ultra alta performance) y de los requerimientos de durabilidad. Dichos paneles pueden ser utilizados tanto para vigas de rigidez de hormigón como de acero, con sus correspondientes conectores de corte.
(Figuras N° 16 A, B, C y D)
Breve descripción de dos importantes viaductos ferroviarios recientemente finalizados (2019) en la Ciudad de Buenos Aires
Viaducto ferroviario línea Mitre
Comitente: Ministerio de Transporte de la Nación – AUSA
Contratista: ROGGIO – CHEDIACK UTE
Equipos de montaje y apoyo técnico constructivo: DEAL
Proyecto ejecutivo estructural del viaducto: EEPP SA
Inspección de obra: PEYCO.
El viaducto ferroviario línea Mitre se encuentra ubicado en la zona norte de la Ciudad de Buenos Aires. Posee una extensión de 4 km, entre el Hipódromo de Palermo y la Av. Congreso. Posee dos estaciones elevadas: Belgrano C y Lisandro de la Torre.
Es un viaducto de 2 vías. Se ejecutó mediante el método de montaje vano a vano, con equipo de lanzamiento de segmentos (dovelas) de aprox. 3 m de ancho.
La sección transversal es un cajón postesado externamente de 11.75 m de ancho de losa superior, 2.1 m de altura y una luz máxima entre pilas de 31.80 m (excepto en el cruce sobre el túnel de la Av. Libertador, donde se ejecutó una solución de postesado mixto, manteniendo la sección transversal de la dovela, que permitió cubrir una luz de 34.55 m).
El sistema de cables de postesado se encuentra formado, en la sección típica para 31.80 m de luz, por 12 cables de 22 cordones cada uno de 0.62” de acero grado 270 BR. La calidad del hormigón es H-50 y la del acero no teso ADN 420.
Las fundaciones típicas están compuestas por cabezal de 4 pilotes de 1.30/1.40 m de diámetro fundados en el pampeano medio, columna circular de 2.0 m de diámetro y capitel de dimensiones max. en planta de 3.10 m x 4.30 m y una altura de 1.50 m.
(Figuras N° 17 A y B; Figuras N° 18 A y B; Figuras N° 19 A y B: y Figuras N° 20 A y B)
Viaducto ferroviario línea San Martín
Comitente: Ministerio de Transporte de la Nación – AUSA
Contratista: GREEN – ROTTIO UTE
Equipos de montaje de vigas cajón: ALE HEAVY-LIFT
Fabricación de vigas cajón: FREYSSINET. Fabricación de vigas nabla: ALQUIVIAL y PREAR.
Proyecto ejecutivo estructural del viaducto: EEPP SA
Inspección de obra: IATASA – ATEC UTE.
El viaducto ferroviario línea San Martín se encentra ubicado en la zona noroeste de la Ciudad de Buenos Aires. Posee una extensión de 5 km, entre la calle Paraguay en Palermo y el puente vial de la Av. San Martín (Paternal). Es un viaducto de 3 y 4 vías. Se ejecutó mediante el método de montaje vano entero en un extremo (Paternal) mediante equipo de lanzamiento de vigas cajón premoldeadas y pretensadas (una por vía) de vanos de 25 m de luz típica (existen tramos atípicos de hasta 39 m de luz) y en el otro extremo (Palermo), mediante montaje a través de grúas, de vigas individuales nabla pretensadas (2 por vía), también de 25 m de luz típica y losa de tablero de hormigón armado ejecutada in situ.
El sistema de cableado de pretensado se encuentra formado, en las distintas soluciones, por cordones de 0.60” de acero grado 270 BR. La calidad del hormigón es H-47 y la del acero no teso ADN 420.
Las pilas están compuestas pórticos de dos y tres columnas y viga dintel, de hormigón armado, de distintas dimensiones de acuerdo a la correspondiente luz del tramo y cantidad de vías. Las fundaciones se ejecutaron mediante monopilotes de 1.50 m de diámetro y mediante cabezales con dos pilotes de 1.10 m a 1.30 m de diámetro, fundados en todos los casos en el pampeano medio.
(Figuras N° N° 21 A y B y Figuras N° 22 A y B)