Diseño y construcción de aproches y estribos en suelo reforzado con geomallas para puentes, Panamá Geogrid reinforced soil for bridge approach fills and abutments design and construction, Panama Carlos E. Espinosa, Omar L. Torres Ing. Civil-MSc. Geotecnia, Ing. Civil- Especialista en Geotecnia y Pavimentos Geomatrix S.A., Bogotá (Colombia)

Resumen La construcción de la Cinta Costera de Panamá consistió en rellenar parte de la bahía de la ciudad de Panamá con un volumen aproximado a los dos millones de m3

de materiales térreos avanzando así en los terrenos del mar. En esta área se construyeron obras de urbanismo, una vía de cuatro carriles de un solo sentido que se llama La Nueva Vialidad, además de treinta y cinco hectáreas de parque urbano interconectados a través de puentes peatonales cuyos aproches y estribos se construyeron con el sistema de suelo reforzado con geomallas. En los análisis de estabilidad, los diseños y la construcción de la estructuras en suelo reforzado se utilizó la metodología del manual de diseño y construcción de la FHWA y se siguieron recomendaciones de diseño AASHTO LFRD para puentes. Las simulaciones y diseños de las estructuras se realizaron con software especializado para suelo reforzado. En este documentos se presentan las consideraciones geotécnicas para el diseño, los parámetros de resistencia de los materiales térreos y de los geosinteticos utilizados y la experiencia de construcción. En la actualidad los puentes se encuentran en funcionamiento e integrados en su totalidad al proyecto y a la ciudad.

Abstract The construction of the Cinta Costera of Panama was to fill part of the bay of Panama City with a volume of approximately two million m3 of soil and rocks thus advancing in the sea. In this area were built urban works, a four-lane road one way that is called Nueva Vialidad and thirty-five Ha. of interconnected urban park through pedestrian bridge approaches and abutments which were built with the system geogrid reinforced soil. The building of the abutments and approaches of the bridges in soil reinforced with polyester geogrids and "Wrap around” faces. In stability analysis, design and construction of reinforced soil structures were used the guidelines for design and construction of the FHWA, and the AASHTO LRFD design recommendations for bridges. The simulations and designs of the structures were performed using specialized software for reinforced soil. This document presents the geotechnical considerations for the design, the parameters of soils, geosynthetics used and construction experiences. Currently the bridges are in operation and fully integrated into the project and the city.

INTRODUCCIÓN

La Cinta Costera es un proyecto de infraestructura de la ciudad de Panamá que se construyo para remediar la congestión vehicular en la Avenida Balboa y crear un gran parque urbano lineal para el esparcimiento en la ciudad. Se ubica en la bahía de la ciudad y cuenta con una vía de 4 carriles y 35 hectáreas de parque urbano con áreas para el deporte y la cultura. Su construcción consistió en rellenar la playa y el mar con un volumen aproximado de 2.0 millones de m³ de material granular consiguiendo así ampliar la bahía enfrente a la avenida Balboa en

un ancho entre 80 m y 100 m por una longitud de 3500 m.

1.1 La tecnología y la cinta costera En el diseño de la obras de la Cinta Costera se

utilizaron metodologías sofisticadas de diseño y simulación. Estas obras se materializaron con técnicas de construcción que utilizaron materiales geosintéticos de alto desempeño en poliéster de alta tenacidad PET. La empresa contratista del proyecto fue la firma internacional Constructora Norberto Odebrecht S.A. Las Fig. 1a y 1b muestran la Bahía de Panamá antes y después de la construcción de la Cinta Costera.

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Figura 1a Panorámica Avenida Balboa Bahía de la Ciudad de Panamá antes de la Cinta Costera.

El relleno para avanzar en los terrenos del mar, el sistema de drenaje y la protección hidráulica de la cinta forman parte de las obras del proyecto. Después de rellenar con bloques y gravas de gran tamaño y arena hasta la cota de diseño, colocar las tuberías de drenaje y construir la protección hidráulica articulada de la cinta, se construyeron las obras de infraestructura y urbanismo entre las que se encuentra la avenida Nueva Vialidad y sus puentes peatonales.

Figura 1b Panorámica Avenida Balboa Bahía de la Ciudad de Panamá después de la Cinta Costera

La vía cuenta con cinco puentes peatonales de

gran capacidad, con facilidades para ser accesibles por discapacitados en silla de ruedas. Los estribos de los puentes y los aproches se construyeron en suelo reforzado con las geomallas Fortgrid®

2 APROCHES Y ESTRIBOS EN SUELO REFORZADO CON GEOMALLAS DE POLIÉSTER FORTGRID

de Geomatrix S.A

2.1 Generalidades

®

El aproche también llamado rampa de aproximación está integrado en un solo cuerpo con el estribo, no obstante, los dos se diseñaron de

manera independiente de acuerdo a su función, las solicitaciones de carga y geometría.

2.2 Estribos en suelo reforzado El estribo corresponde a la masa de suelo

reforzado en donde se apoya la viga en concreto de la superestructura del puente. En el estribo se carga el peso de la viga de concreto pretensada, la silla en concreto reforzado y la carga de servicio. La particularidad de estos puentes es contar con estribos en suelo reforzado a cambio de los convencionales que se construyen con pilas, muros o aletas de concreto reforzado.

Para su construcción se utilizaron geomallas uniaxiales de poliéster dispuestas en ambos sentidos con una separación en vertical Sv de 0.40 m. En la Fig. 2 se muestra la construcción de un estribo en suelo reforzado.

Figura 2 Construcción del estribo del puente peatonal en suelo reforzado con geomallas Fortgrid

2.3 Aproches en suelo reforzado

®

Es el terraplén que eleva el nivel de la rasante desde el suelo hasta la súper-estructura del puente. Para su construcción se utilizaron geomallas biaxiales de Poliéster BX dispuestas en sentido transversal con una separación vertical Sv de 0.40 m. La Fig. 3 muestra la construcción del aproche.

Figura 3 Construcción del aproche al puente peatonal en suelo reforzado con geomallas Fortgrid®

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7.4-2

3 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

3.1 Material de relleno El material granular de relleno para la

conformación de las estructuras en suelo reforzado debía presentar características que garantizaran alcanzar los parámetros de resistencia geomecánica indicados en la Tabla 1.

Tabla 1 Propiedades geomecánicas del material granular de relleno

γ Peso unitario φ Angulo de fricción Cohesión

kN/m Grados 3 kPa 20.0 32.0 0.0

Las especificaciones del material de relleno

fueron acordes a las recomendaciones del manual de diseño de muros y taludes de suelo reforzado de la FHWA-NHI-00-043, entre las características que se deben tener en el material granular de relleno se encuentran:

Las partículas de los agregados serán duras, resistentes y durables, sin exceso de partículas blandas o desintegrables y sin materia orgánica u otras sustancias perjudiciales. La franja granulométrica que limita los materiales estaba dada por: el contenido de finos (pasa 200) entre el 0% y el 15 %, el paso del tamiz No. 40 entre 0 y 60%, el paso del tamiz de 4 pulgadas el 100%. El índice de plasticidad no mayor a 6. Este material granular se debía compactar por capas como máximo de 0.20 m de espesor hasta lograr como mínimo una densidad superior al 98% del peso unitario seco máximo obtenido en la prueba de compactación Proctor.

3.2 Suelo de fundación La totalidad de los puentes fueron construidos

sobre el relleno de material granular, constituido por bloques y gravas de gran tamaño, provenientes en su mayoría del banco de material generado durante la excavación del primer canal de Panamá. La capacidad portante de este gran relleno, constituía un suelo con excelentes condiciones para cimentar tanto los estribos de los puentes como los aproches. De acuerdo a lo anterior y dada la naturaleza de las estructuras construidas de suelo reforzado de trasmitir bajos esfuerzos al suelo de fundación, no se construyeron estructuras de fundación profundas.

3.3 Geomallas de refuerzo El alto desempeño mecánico de las geomallas

de poliéster de alta tenacidad PET se asocia en principio con su proceso de obtención y transformación. El poliéster de alta tenacidad PET es un polímero obtenido en la industria petroquímica, con un mayor grado de polimerización frente a otros polímeros utilizados en la industria de los geosintéticos, como el polipropileno PP o el polietileno de alta densidad HDPE. El Poliéster de alta tenacidad se caracteriza por presentar un peso específico de 1.39 gr/cm3

, peso molecular superior a 25.000g/mol y nivel de grupo carboxilo final menor a 30, características que le confieren una alta estabilidad química y física. El poliéster de alta tenacidad PET se transforma mediante técnicas de hilatura en fibras de multifilamento, las cuales se asemejan a pequeños torones de alta resistencia, como se aprecia en la Fig. 4.

Figura 4 Fotografía vista al microscopio de una sección de fibra multifilamento de PET ampliada 200 veces

Estas fibras se caracterizan por poseer una alta

relación resistencia a la tensión – deformación, tal como se ilustra en la Fig. 5.

Figura 5 Relación Resistencia a la tensión-Deformación, Pilarczyk K. (2000)

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El poliéster es un material que presenta una alta estabilidad mecánica a través del tiempo (bajo creep) como se aprecia en la Fig. 6. Lo que lo convierten un material idóneo para construir estructuras como estribos de puentes que no toleran altas deformaciones durante el tiempo de servicio.

Figura 6 Deformación plástica a través del tiempo. Sometido al 60% de la carga a la rotura, Pilarczyk K. (2000)

4 DISEÑO ARQUITECTONICO Y GEOMETRICO DE LOS APROCHES Y ESTRIBOS

Cada uno de los cinco puentes peatonales cuenta con dos aproches y dos estribos en suelo reforzado. El aproche de mayor altura alcanzó los 6.50 m. El estribo de mayor altura alcanzó los 4.5 m. La geometría en planta de los aproches correspondió a los diseños arquitectónicos que marcaban espirales combinadas con algunos tramos rectos. Los aproches presentan longitudes que varían entre los 60 m y 100 m en función de la pendiente máxima del 8%. Este valor correspondía al aceptado para accesos de personas en sillas de ruedas. Las vigas que componen la superestructura del puente son de concreto reforzado y pretensadas.

Figura 7 Vista en planta del aproche del lado de la avenida del puente 1

El galibo de los puentes varía entre los 5.5 m – 6.0 m. La inclinación de todas las fachadas es de 1 V : ¼ H. En la Fig. 7 se muestra la planta del aproche del lado de la avenida del puente 1.

5 DISEÑO GEOTECNICO

El suelo reforzado con geomallas de poliéster Fortgrid®

La concepción, diseño y construcción de las rampas de acceso a los puentes peatonales se basaron en los siguientes principios:

es un relleno conformado por material granular seleccionado al cual se le incluyen geomallas de refuerzo. Asociada a la interacción entre el suelo granular y las geomallas se da la transferencia de esfuerzo aumentando la resistencia al corte del suelo. Esta condición se refleja en el aumento de los factores de seguridad calculados y en la posibilidad de tener taludes con mayor inclinación al ángulo de reposo del material que lo compone.

- Estabilidad y durabilidad en el tiempo - Taludes de alta pendiente - Estética integrada con el entorno del

proyecto - Fachadas verdes vegetalizadas - Pendientes longitudinales máximas del 8%

Para satisfacer lo anterior se optó por el diseño y construcción de estructuras en suelo reforzado con geomallas de Poliéster Fortgrid®

Para el diseño se utilizó la metodología de diseño de la FHWA NHI-00-043 “Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and construction guidelines” de 2001.

con fachadas tipo “Wrap around” y césped natural.

El análisis y diseño sugerido consideró la condición de estabilidad para los aproches y estribos en suelo reforzado de los puentes peatonales de acuerdo con el modelo geotécnico y la topografía del terreno. El diseño permitió determinar la altura, separación, longitud y referencia de cada una de las capas de geomalla de refuerzo necesarias para el óptimo funcionamiento de las estructuras en suelo reforzado. Las características y propiedades del comportamiento mecánico de las geomallas se definieron en forma particular así como, su ubicación dentro de las estructuras y sus respectivos detalles constructivos.

Cada puente cuenta con dos aproches y estribos, los del costado de la avenida y los del costado del mar. El análisis de cada estribo en suelo reforzado se realizó con la sección longitudinal, considerando el elemento de apoyo sobre el cual se soporta la superestructura. Para el análisis de los aproches se utilizaron tres secciones

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transversales: la sección de la altura máxima y la sección de rampa en la zona del estribo. En forma complementaria se analizaron secciones transversales típicas con diferencia de un metro en altura para cubrir el desarrollo a lo largo de todo el aproche. La condición de estabilidad de las secciones se analizó por el método de equilibrio límite, utilizando el software de análisis MSEW, bajo el método de diseño de la AASHTO. Las secciones transversales se modelaron involucrando las geomallas correspondientes hasta lograr los factores de seguridad propuestos, bajo la condición de sismo, cargas, sobrecarga y nivel freático.

5.1 Estribos El estribo del puente es la estructura con mayor

solicitación de carga. El procedimiento de análisis se realizó con los software especializados de análisis y diseño de suelo reforzado MSEW 2.0 y 3.0 de ADAMA Engineering Inc. que sigue los manuales de diseño AASHTO98/Demo 82, AASHTO02 /FHWA-NHI-00-043, AASHTO07 LRFD 07). En esta metodología se mayoran las cargas vivas y muertas y se reduce la resistencia de los elementos de refuerzo. Las cargas consideradas fueron: la carga muerta que se asocia a la superestructura con la viga pretensada y la losa del puente, la silla de concreto donde se soporta la viga y los elementos adicionales. La carga viva de servicio (tráfico de personas) y una carga adicional que se asoció al tráfico de los equipos pesados durante la construcción. Los factores de seguridad calculados que se satisficieron para la condición estática de acuerdo a las metodologías de diseño utilizadas fueron los siguientes:

- Estabilidad Interna - Rotura de la geomalla > 1.50 - Pull Out > 1.50 - - Estabilidad Externa - Deslizamiento directo > 1.50 - Capacidad portante > 1.50 - Volcamiento > 1.50

Considerando un coeficiente de aceleración sísmico Aa de 0.15 se realizaron los cálculos para la condición pseudo-estatica, satisfaciendo como mínimo el 75% del valor de los factores para la condición estática. De manera complementaria en los análisis se calcularon los efectos que se tienen en la estabilidad de la estructura bajo la acción de cargas excéntricas.

Los estribos de los puentes presentan dos esquinas por lo cual se hace necesario reforzarlos en ambas direcciones, tanto en el sentido

longitudinal (sentido del trafico), como transversal. Para realizar esto se realizó un doble refuerzo con geomallas uniaxiles de poliéster alineadas de manera ortogonal entre sí. Con esto se conformó un bloque compacto capaz de soportar todo el peso de la súper estructura (viga pretensada de concreto y losa), la silla de concreto que soportaba la viga y el relleno complementario de la rampa. . La Fig. 8 muestra la sección correspondiente al estribo del mar del puente 2.

Figura 8 Sección longitudinal Estribo

5.2 Aproches Los aproches presentan dos fachadas laterales

una a cada lado. El diseño se realizó por separado para cada fachada, tomando la rampa como la unión de dos muros independientes. De manera complementaria se realizó un análisis de estabilidad de la estructura como un solo cuerpo conformado por dos muros Back-to Back Para el pre dimensionamiento de los aproches o rampas de acceso se adoptaron las relaciones de esbeltez dadas en la metodología de diseño acogida. Para rampas con dos fachadas también llamadas muros Back-to-Back se tiene que el ancho medido entre fachadas como mínimo seria de 1.1H donde H es la altura total de la rampa. Teniendo en cuenta que la relación para la mínima longitud de refuerzo B, para muros en suelo reforzado está dada por, B>0.7H, las rampas quedaron entre 1.1H y 1.4H dependiendo del espacio que tenia para su construcción, en ocasiones traslapando los elementos de refuerzo.

Para el diseño de los aproches se utilizaron la sección transversal en la parte del estribo y la sección de altura máxima. De manera complementaria se analizaron secciones transversales cada metro para diseñar los refuerzos óptimos de acuerdo a altura diferencial del aproche con respeto a la abscisa. La Fig. 9

0.00

1

1/4

B

e

Hestribo

Geomallade refuerao

Fachadafrontal. H

Rampa

Longitud derefuerzo.

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muestra la sección transversal de altura máxima del puente 1.

Figura 9 Sección transversal aproche Altura máxima

6 PROCESO CONSTRUCTIVO

6.1 Localización, nivelación y replanteo La localización de los puentes se realizó con

topografía con estación siguiendo los planos del proyecto. Para el replanteo del terreno y la nivelación se hizo necesario coordinar los trabajos de relleno y excavación teniendo en cuenta que la precisión de este tipo de estructuras (puentes) no tolera grandes diferencias en altura ni alineamiento.

La Fig. 10 muestra uno de los puentes peatonales en servicio con el aproche en suelo reforzado con geomallas de poliéster Fortgrid®

.

Figura 10 Puente peatonal con aproche en espiral sobre la Nueva Vialidad en servicio

6.2 Conformación de las fachadas Las fachadas de los estribos y de los aproches

presentan inclinaciones de 1 V : ¼ H. Esta inclinación se alcanzó con el desfase en horizontal de capas de cara recta tipo escalera. El cierre de capas que se utilizó se conoce como se Wrap Around. El cual consiste en cerrar la capa

realizando un doblez hacia atrás de la misma geomalla de refuerzo. La Fig. 11 muestra el detalle típico del cierre de capa tipo.

Figura 11 Cierre de capa Wrap Around

Tal como se muestra en la figura anterior, para mantener la verticalidad de cada una de la capas de la fachadas se utilizó malla metálica electrosoldada dobla en “L”. El material vegetal para permitir tener fachadas verdes naturales fue cespedon cosechado especialmente para esta aplicación con el ancho de capa de Sv= 0.40 m. La Fig. 12 muestra el aspecto de las fachadas del estribo y el aproche durante la construcción, en donde se realizó el cierre de capa Wrap around con césped natural.

Fotografía 12 Estribo en suelo reforzado con fachada vegetalizada

6.3 Disposición de los refuerzos geosinteticos Los elementos de refuerzo se direccionan en el

sentido de mayor esfuerzo (perpendicular a la fachada de la masa de suelo que refuerzan). Teniendo en cuenta la geometría en planta de las estructuras con formas de espirales, las franjas de geomalla se dispusieron siguiendo un esquema de instalación, logrando reforzar la masa de suelo y optimizando el uso del material. Durante la construcción se chequearon, el tipo de geomalla, las longitudes de refuerzo, los traslapos y la longitud de cierre. El transito del equipo pesado sobre las geomallas de refuerzo se restringió para evitar daños en estas. Se disponía una capa inicial de material de relleno y luego si se podía tener un tránsito completo del tren de equipo pesado de relleno y compactación.

Be

Fachadalateral

H

1

1/4

BLongitud de

refuerzo.Longitud de

refuerzo.

0.00

Geomallade refuerzo

1/4

1

Fachadalateral

Gancho metálico de10x10x10 cm en varilla

de Ø 3/8" @ 1.5 m

Geomalla de refuerzo

Sv Material granular deconformación

1.20 mCespedón

Malla electrosoldadaTemplete de

alambre o varilla

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6.4 Disposición y compactación del material térreo

El material granular de relleno se compactó por capas como máximo de 0.20 m de espesor hasta lograr como mínimo una densidad superior al 98% del peso unitario seco máximo obtenido en la prueba de compactación Proctor. Las características granulométricas del material, el índice de plasticidad y el contenido de humedad cercano al óptimo permitían una compactación eficaz. El procedimiento de compactación fue calibrado por el constructor con ensayos de densidad en el sitio, buscando la cantidad óptima de pasadas del equipo de compactación para estar en un porcentaje superior al requerido. La zona del frente de cada estructura se compactó con equipo liviano. El chequeo de la densidad y la aceptación de cada una de las capas de relleno se realizaron con ensayos de campo con el uso de densímetro nuclear.

6.5 Chequeo de niveles de las capas y alineamiento

Las estructuras con geometrías que demarcan curvas como los aproches a los puentes, que a su vez, presentan diferencias en planta y alzado requieren de localización directa y chequeo de abcisas y niveles. Para esto se utilizó topografía con estación, en donde se materializaron las referencias como ejes, abscisas y mojones con coordenadas y cotas, accesibles para cotejar los datos de la estación topográfica.

7 CONCLUSIONES

La construcción de este proyecto permitió comprobar que los aproches y estribos en suelo reforzado son estables como soporte y contención de estructuras de alta solicitación como puentes de grandes luces.

El avance de la técnica y de las metodologías de diseño para estructuras en suelo reforzado permite realizar análisis confiables donde se pueden valorar y controlar aspectos como: los parámetros geomecanicos de los suelos, las sobrecargas de servicio, la ocurrencia de eventos sísmicos, la presencia de niveles freáticos y la interacción suelo geosintetico, los cuales se consolidan en un completo ejercicio de la ingeniería.

Las estructuras en suelo reforzado absorben de mejor manera las deformaciones que se presentan durante la construcción y el tiempo de servicio, eliminando las limitaciones que imponen la aparición de grietas y fisuras en las estructuras de concreto, que usualmente se asocian a problemas de estabilidad.

Los estribos de los puentes no requirieron de cimentaciones profundas debido a la distribución de las cargas en un área mayor, propiedad que se asocia en especial a este tipo de estructuras de suelo.

La apariencia final de la estructuras demuestra un especial aspecto natural que se integra de la mejor manera con el ambiente de la zona, prestando a su vez el servicio para los que fueron construidas. REFERENCIAS AASHTO LRFD. (2007). "Bridge design specifications"

AASHTO, 4(3) Elias, V. ,Chistopher, B.R., Berg, R.R.. (2001).

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