Estrategias para la continuidad de los puentes de ferrocarril de alta velocidad frente a acciones horizontales longitudinales
- Autores: Óscar Ramón Ramos Gutiérrez
- Directores de la Tesis: Marcos Jesús Pantaleón Prieto (dir. tes.), Julián Díaz del Valle (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Florencio J. del Pozo Vindel (presid.), Javier Torres Ruiz (secret.), Frank Schanack (voc.)
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- Resumen
El desarrollo y auge de las líneas de ferrocarril de alta velocidad desde el último cuarto del siglo XX hasta nuestros días ha demandado de los ingenieros de puentes la creación de un nuevo cuerpo normativo y la búsqueda continua de soluciones tipológicas robustas y eficaces que puedan hacer frente a las particularidades que presenta el tráfico ferroviario de alta velocidad en comparación con el tráfico de carretera.
Para un ingeniero de puentes, el diseño de viaductos de ferrocarril de alta velocidad supone, en una primera apreciación, ciertas restricciones en cuanto a las posibilidades de innovación y creación, toda vez que la propia forma, tipología y distribución de luces (entre otros factores) están muy condicionados por la naturaleza de las acciones horizontales y verticales derivadas del ferrocarril y de su tecnología de implantación en vía sobre balasto (la comúnmente extendida en los puentes de las líneas de ferrocarril de alta velocidad españolas). Estas restricciones no lo son únicamente desde el punto de vista resistente o deformacional (debido al carácter de alta velocidad de las líneas y a las exigencias de confort y seguridad del tráfico ferroviario), sino que también abarcan otros aspectos relacionados con la gestión de las infraestructuras, como son la durabilidad y el coste de inspección y mantenimiento.
Pero son precisamente estas especiales características de los puentes de ferrocarril de alta velocidad las que convierten en un reto técnico afrontar de una forma racional el diseño óptimo y eficiente de estos puentes, extendiendo día a día los límites del conocimiento en cuanto a su respuesta estructural y su mejor adaptación a las condiciones particulares del sitio. Este reto se acrecienta de una forma relevante en el caso de las líneas de alta velocidad españolas, debido a la propia morfología y sinuosidad de nuestro relieve, junto con la implantación de nuevas líneas en zonas de medio y alto riesgo sísmico.
Son muchas las investigaciones realizadas en el ámbito de los puentes de ferrocarril de alta velocidad relacionadas con la naturaleza dinámica de las acciones verticales y su influencia en el diseño y respuesta de la estructura. Sin embargo, son algunas menos las que se han llevado a cabo en relación con la capacidad del puente para hacer frente de manera eficaz y óptima a las acciones horizontales longitudinales.
Las elevadas fuerzas horizontales de frenado y arranque impuestas por la normativa europea, la elevada longitud media de los viaductos de ferrocarril de alta velocidad (debido a la rigidez en el trazado que imponen las condiciones de operatividad) y la elevada masa propia del tablero implicada en la acción sísmica, hacen que el diseño de los puentes de ferrocarril de alta velocidad deba contemplar una especial atención al esquema resistente frente a las acciones horizontales longitudinales. Igualmente, las consideraciones relativas al trabajo conjunto de vía y tablero imponen también requisitos exigentes desde el punto de vista de las deformaciones relativas y absolutas del puente y de la vía.
En el diseño de los puentes de ferrocarril de alta velocidad ha de prevalecer el concepto de continuidad (ampliamente mencionado a lo largo de la tesis), entendido como aquel que posibilita la mínima perturbación e interrupción de la propia continuidad del carril y de la estructura. De esta forma, la búsqueda de la máxima longitud dilatable de puente continuo (lo que ayudará a disminuir el número de aparatos de dilatación de vía o el número de transiciones terraplén – puente), el diseño eficiente de los elementos (pilas o estribos) que se constituyen en los llamados puntos fijos (y que han de absorber las reacciones horizontales longitudinales), o la implantación de sistemas de aislamiento y disipación sísmica que permitan extender el uso de las soluciones y tipologías clásicas a las zonas con riesgo sísmico, constituyen una estrategia fundamental para garantizar esta pretendida continuidad y uniformidad del tráfico ferroviario de alta velocidad. Este concepto es el que motiva el trabajo de investigación que aquí se presenta, tal como se refleja en el título de la tesis.
En el presente trabajo de investigación se han abordado de forma integral y exhaustiva aquellos aspectos que resultan condicionantes en el diseño de los puentes de ferrocarril de alta velocidad frente a esfuerzos horizontales longitudinales.
Entendiendo el concepto de continuidad de la vía y de la estructura como una de las prioridades del diseño, se han desarrollado estrategias de análisis que permiten identificar las configuraciones y tipologías óptimas para garantizar el mayor grado posible de continuidad en dichos elementos.
Para la consecución de estos objetivos se han llevado a cabo los siguientes trabajos: Revisión del estado del arte en lo referente al campo del diseño y de la construcción de los puentes de ferrocarril de alta velocidad, en general; y en particular de aquellos aspectos más íntimamente relacionados con la manera de afrontar el esquema resistente y funcional frente a las fuerzas horizontales longitudinales.
Revisión de las acciones horizontales longitudinales relevantes que condicionan la respuesta funcional y resistente de los viaductos de ferrocarril de alta velocidad. El grueso del trabajo de investigación se ha dirigido al análisis de la tipología más habitualmente empleada en las líneas de alta velocidad: puentes de tablero de hormigón pretensado cuasi rectos, de dintel constante, vanos sensiblemente iguales y continuos – o, al menos, continuos a efectos de su comportamiento longitudinal. De esta forma se han tomado como acciones condicionantes para el diseño longitudinal de la estructura y de la vía la retracción y la fluencia, el rozamiento en los aparatos de apoyo deslizantes, las acciones térmicas, el frenado y arranque y la acción sísmica. Se ha detallado la formulación normativa de cada una de estas y se ha analizado la influencia relativa de cada una de las acciones en la respuesta del sistema vía – estructura. Igualmente se ha desarrollado un extenso trabajo de campo sobre puentes de las líneas de alta velocidad españolas para la inspección y la medida de variables fundamentales que muestran la respuesta del puente frente a dichas acciones.
Estudio del fenómeno de interacción vía – tablero, que es el que gobierna y determina los límites de longitud de puente y de vía continua para satisfacer los requisitos de no superación del estado tensional admisible del carril y de las deformaciones relativas entre carril, tablero y subestructura. Se ha desarrollado un nuevo algoritmo para el cálculo no lineal de la interacción vía – tablero y se han caracterizado cuáles son los parámetros que condicionan la respuesta conjunta de ambos elementos. Asimismo se han identificado las posibles configuraciones para la continuidad de vía y tablero, y se ha realizado un estudio sobre la máxima longitud dilatable admisible por los aparatos de dilatación de vía. Mediante este estudio se han podido elaborar recomendaciones acerca de la máxima longitud dilatable admisible en función de los parámetros más relevantes que influyen en dicha longitud: duración del ciclo de construcción de un vano, decalaje temporal en la instalación del aparato de dilatación de vía, humedad relativa ambiente, edad del hormigón del tablero en el momento de la puesta en carga e incremento térmico de cálculo.
Estudio de las posibles configuraciones y tipologías de punto fijo para fuerzas horizontales longitudinales. Comprendiendo que es este uno de los elementos esenciales en el esquema resistente y funcional de los puentes de ferrocarril de alta velocidad (pues es el elemento que ha de absorber el conjunto de fuerzas longitudinales y sobre el que se imponen restrictivas condiciones de rigidez) se han propuesto distintas soluciones para el diseño de dicho punto fijo. Se ha realizado también un estudio que permite cuantificar de forma precisa la reacción total longitudinal actuando sobre el punto fijo, y se han elaborado ábacos de predimensionamiento para conocer el valor de esta reacción en función de la longitud del puente, de la altura de las pilas y del coeficiente de rozamiento de los aparatos de apoyo deslizantes. También se han elaborado ábacos de predimensionamiento que permiten estimar la dimensión característica (talón) del estribo de un puente que actúa como punto fijo para fuerzas horizontales longitudinales, en función de parámetros tales como la altura del estribo, la longitud del puente y las condiciones geotécnicas del terreno de cimentación. Para el caso habitual de puntos fijos intermedios, dispuestos en una pila singular, se han elaborado recomendaciones para realizar una óptima elección de la tipología de dicho punto fijo (entre las alternativas comunes de pila en y arco apuntado), en función de variables como la altura de la pila (o arco) y las magnitudes de las fuerzas horizontales y verticales solicitantes del punto fijo.
Propuesta de un sistema de dispositivos de aislamiento y disipación sísmica, que permite afrontar con soluciones estándar el diseño de viaductos ubicados en zona sísmica. Dicho sistema se basa en la coexistencia de dispositivos amortiguadores hidráulicos viscosos que conectan el tablero a los estribos, junto con aparatos de apoyo de tipo péndulo de fricción dispuestos entre el tablero y las pilas. El sistema propuesto, novedoso por la conjunción de ambos dispositivos, manifiesta un alto grado de eficacia para hacer frente a los efectos de la acción sísmica longitudinal, satisfaciendo también las exigencias resistentes y funcionales impuestas por el resto de acciones características de los puentes de ferrocarril de alta velocidad. Se han analizado las propiedades y respuesta de cada uno de los dispositivos antisísmicos, realizando recomendaciones acerca de los parámetros óptimos de diseño de cada uno de ellos.
Propuesta de una solución tipológica para resolver el problema de la continuidad longitudinal de los puentes de ferrocarril de alta velocidad en aquellos casos en los que el puente ha de salvar un obstáculo singular que impone una luz considerablemente mayor que la luz estándar con la que el puente se configura antes y después del obstáculo. La nueva solución se basa en disponer un tablero continuo de estribo a estribo del puente, de canto constante y sección cajón. En el vano singular, con una luz del orden del doble que la de los vanos estándar, las mayores necesidades de rigidez y resistencia son cubiertas por la presencia de un nuevo tipo estructural: el arco atirantado por el propio tablero. Se han realizado recomendaciones generales de prediseño de los principales elementos resistentes, justificando su adecuada respuesta tenso-deformacional.
La mayor parte de la investigación realizada (la descripción y el estudio de las diferentes soluciones y alternativas tipológicas, los análisis numéricos llevados a cabo, etc.) está referida a un conjunto de puentes de ferrocarril de alta velocidad proyectados por el autor y que realmente constituyen en muchas de sus facetas una muestra del estado del arte en este campo de la ingeniería.
