Pont Nelson Mandela sobre el riu Llobregat

MANUEL REVENTÓS I ROVIRA
Enginyer de Camins, Canals i Ports (UPC,1982). Soci fundador d’Enginyeria Reventós, SL. Soci numerari de l’ACE.
Redactor i director de projectes notables. Ponts: Nelson Mandela (El Prat Ll.), St. Ermengol (Oliana), Arcs Les Fosses (Sta. Coloma de F.). Passarel·les: Raval de la mar (Vila-seca), St. Pere (Terrassa). Rehabilitació de Ponts: Romànic (Caldes Mont.). Carreteres: Vila-seca La Pineda, Rda. Oest Sabadell. Obres Marítimes: Amp. Port Ginesta.
Edificació: Estr. Poliesp. Nova Icària (Vila Olímpica), Piscines Picornell.
Galardonat en els Premis: ACE 2017; Footbridges 2005. Revista Bridge D&E. Venècia. Eng. Civil. Construmat 1997. Finalista a: XIV CMEX Building 2015; Beyond Building Construmat 2015; FAD Esp. Ext. 2005; Construmat 1989. Mencions a: Eng. Civil Construmat 2005; IX Bienal Esp. Arq. y Urb. 2007.

INTRODUCCIÓ

L’últim pont sobre el Riu Llobregat es va finalitzar durant el 2015, i amb 150 m de llum, es va convertir en el major arc de Catalunya. A part del repte tècnic que va suposar el seu projecte i execució, el pont és una peça icònica que és visible des dels avions que aterren a l’Aeroport del Prat. És una de les portes d’entrada a Barcelona. inicialment el coneixíem com a Pont de la Gola del Llobregat però al febrer del 2016 l’Ajuntament del Prat del Llobregat el va batejar com a Pont Nelson Mandela en honor del polític sud-africà (fig. 1).

Quan es completin els trams d’accés, el pont formarà part del vial que unirà el Port de Barcelona amb l’Aeroport. En el moment de redactar aquest escrit, l’estiu de 2017, els accessos viaris al Port, que tothom sap en l’estat en què estan —endarrerits és poc—, i del tram que manca fins a l’Aeroport —del què ningú en parla—, el més calent és a l’aigüera. Ambdues obres recauen sobre el Ministerio de Fomento.

D’altra banda, el pont és en la proximitat del parc agrari del Llobregat i del Delta, les quals són zones protegides i de gran interès ambiental que sobreviuen malgrat de la pressió que reben de l’Àrea Metropolitana de Barcelona.

Per ampliar el Port de Barcelona, el llit del riu Llobregat es va desviar, deixant la zona industrial del Pratenc gairebé aïllada de la vila del Prat. Aquest fet i la necessitat de millorar la connexió entre la ZAL (la plataforma logística intermodal del Port de Barcelona) i l’aeroport van conduir a la construcció del pont Nelson Mandela. Hi havia la possibilitat de construir el pont en sec prèviament al desviament del riu, a cost molt inferior, però les diferents administracions del nostre país no destaquen precisament per la seva capacitat de coordinació i coherència. El fet és que el pont no es va construir en sec.

El projecte original va anar a càrrec de Geplank,SA-APIA XXI, els que subscriuen el present article hi participaren inicialment com a membres de la Direcció d’Obra però, per vicissituds que no venen al cas, vam haver d’entomar ben aviat el Projecte complet i, particularment, el desenvolupament del Projecte que finalment s’ha construït.

Cal tenir present la data de redacció del Projecte, 2006, i d’inici de les obres, finals de 2009. Són els anys finals de la disbauxa econòmica, el setembre de 2008 fa fallida Lehman Brothers amb els efectes coneguts per tothom, amb projectes icònics arreu i a l’ombra del 3 % a casa nostra. Difícilment es projectaria un pont de les característiques del Nelson Mandela actualment.

El tram de vial del pont està comprès entre rotondes. La IMD prevista quan tot s’acabi oscil·la entre 14.000 i 16.000 vehicles, amb 1.000 -1.100 pesats per sentit. Valors obtinguts a partir d’aforaments a la carretera B-250 al pont de Mercabarna, actualment l’últim pont sobre el Llobregat, situat uns 500 m aigües amunt.

La plataforma funcional consta de quatre carrils i dues calçades separades per una mitjana de barreres New Jersey. Les dues calçades tenen voral interior (1 m), 2 carrils (2 3 3,5 m) i el voral exterior (2 m); a més hi ha barrera de contenció, ampit francès; i vorera amb carril bici (3,5 m). La secció és simètrica, l’amplada total de la plataforma és de 29 m (fig. 2).

L’ESTRUCTURA

Generalitats

El pont té 304 m de longitud (fig. 3), amb dos punts de suport entre els estreps on es concentren dos trípodes invertits, amb piles inclinades 21º i 28º des de l’horitzontal. Les tres piles de cada trípode, una simple i l’altra doble, s’encasten amb el tauler formant esquema de pòrtic rígid addicional a la de l’arc atirantat pel tauler.

Les llums bàsiques son 74 + 150 + 80 m. A partir dels punts interiors de cada trípode, s’inicien dos arcs inclinats cap a l’interior que s’uneixen al centre. La fletxa de l’arc, distància entre el tauler i la seva clau, és de 19,45 m.

Hi ha 11 cables – tirants dobles que relacionen arc i tauler a la zona central; són inclinats en les direccions longitudinal i transversal. Els cables s’ancoren passivament en costelles, separades 7,50 m, que sobresurten del tauler, i activament a l’arc.

El número de cordons per tirant varia entre 52 en els tirants del centre de llum i 8 en els més propers al suport, molt poc efectius per la proximitat de la pila. Els cables estan formats per cordons de set filferros i estan protegits mitjançant galvanitzat, encerat i protegits individualment amb polietilè d’alta densitat (HDPE).

Tots els cables estan també protegits per un altre tub de PEAD exterior i, a les zones accessibles, n’estan també per tubs d’acer.

Excepte els cables, tots els elements són de formigó «in situ» formant una sola peça monolítica. El tipus del formigó depèn de la posició: fonaments, estreps i enceps són d’HA30; piles d’HA75 (auto-compactat a causa de la seva inclinació); al tauler és HP50 i als arcs HA45.

Els acers són B500 (per armat) i Y1860S7 (cordons de pretensat i cables) com és habitual.

Tauler

Segons el seu alçat, el tauler té quatre punts de recolzament (P1, P2, P3, P4). La distribució de llums d’aquest és 38,9 – 61,0 – 98,2 – 61,0 – 44,9 m (fig. 3).

Els punts P1 i P4 són simples, amb un punt de suport central i voladissos de 11,36 m a cada costat. Els punts P2 i P3 tenen dues piles cadascun, les quals estan suficientment separades per permetre que el tauler passi entre elles (i els arcs).

El tauler és un caixó múltiple de tres cel·les de formigó pretensat (fig. 4). Té 29 m d’ample i 2,50 m de cantell al centre. El contorn inferior és circular, de manera que les quatre ànimes són desiguals. Les dues ànimes centrals són de 2,31 m de cantell, mentre que les dues dels extrems són de 1,22 m de cantell. Els espessors de les lloses i inferior són de 0,30 i 0,25 m, respectivament.

En el transcurs de l’obra es va optimitzar la distribució dels tendons de pretensat per verificar les condicions del disseny (ambient marí), resultant una quantia d’acer actiu longitudinal de 42,90 kg/m2 (que va estalviar un 25 % del previst en projecte). També es van redissenyar la geometria i el pretensat transversal de les costelles-nervis transversals que recullen els cables per les mateixes raons.

La distribució de llums i l’esquema resistent d’arc/pòrtic, desequilibren les forces de flexió dels diferents trams del tauler (veure més endavant). Durant la construcció, es va analitzar el pretensat per optimitzar-lo, també tenint en compte els esforços desequilibrats del tauler.

Esquema estructural arc/pòrtic

El tram principal està suspès de l’arc, la flexió en aquest tram està controlada; els trams adjacents se sustenten mitjançant l’esquema flexió-axial d’un pòrtic. Amb aquest repartiment de llums, la distribució de flectors està descompensada, el moment en els trams laterals és quatre vegades més gran que el del tram de l’arc.

El pòrtic, el trípode invertit i el tauler uneixen les piles, recullen gairebé íntegrament l’arc sense que s’indueixin traccions al tauler de l’arc. En una estructura tan hiperestàtica amb les unions monolítiques, la rigidesa relativa de la fonamentació respecte a l’estructura determina la reacció del terreny. La mida d’enceps i pilons confereixen a la fonamentació prou rigidesa com per absorbir l’empenta horitzontal de l’arc sense mobilitzar la tracció del tauler suspès. La reacció horitzontal del terreny és gairebé la mateixa que la component horitzontal de la compressió de l’arc.

D’altra banda, les piles formen angles amb l’horitzontal de 21 i 28º, amb aquest esquema de pòrtic el tauler funciona com un tirant amb traccions molt més grans que en el tram de l’arc. Si ens centrem en les càrregues permanents, les de major importància en el pont, veiem que l’axil de tracció en el tram de l’arc és el 2,5 % de la tracció en els trams adjacents.

Cal notar com, en el tram sobre el trípode, que no és el de més llum, es localitzen les seccions més sol·licitades des del punt de vista tensional; conseqüentment moltes de les característiques de la secció tipus venen determinades pel tram adjacent al tram principal (fig. 5).

Nus arc-tauler-piles

Com s’ha exposat, hi ha una important força de tracció al tauler a causa del triangle format per les piles i el tauler i, per transferir-la a les piles, es precisen diafragmes massius.

En la unió entre els dos pilars dobles i els arcs (punts P2 i P3) apareix una combinació notable de forces horitzontals i verticals que s’han de transferir des del tauler i els arcs fins a les piles (fig. 6). En aquest punt, les piles i els arcs estan separats a 38 m per permetre que el tauler passi entre els arcs i el diafragma massiu (o tauler massissat) que té 13 m de longitud.

Les forces bàsiques presents al diafragma (moments a part) són:

• Els dos tallants procedents del tauler a causa de la seva flexió, a transferir a les piles.
• Les forces de tracció del tauler provocades pels esquemes de pòrtic triangular i d’arc atirantat pel tauler que també s’han de transferir a les piles.
• La força transversal de tracció induïda per l’obertura dels arcs que cal precomprimir amb pretensat per evitar que s’obri.

Per conduir, contrarestar i resistir aquests esforços s’amplia lateralment al tauler (ampliació que va rebre el nom de «laja»), es massissa el tauler formant un diafragma massiu i es despenja una biga transversal situada sota el tauler que té la mateixa inclinació que les piles per amagar-la a la seva «ombra». Tots els elements estan fortament pretensats i tenen problemes seriosos per a disposar-hi els caps d’ancoratge per manca d’espai (fig. 6).

El pont és en ambient marí, i per garantir la durabilitat de l’estructura, cal evitar la descompressió de les zones pretensades. En aquesta zona, i per assolir aquest objectiu, es requereix una quantitat excepcional d’acer: 190 kg/m³ d’acer passiu i 59 kg/m² d’acer actiu. Aquesta gran quantitat d’acer d’armat i de pretensat fa que el muntatge de l’acer i el formigonat del diafragma, la biga i les arribades d’arcs i piles fos extraordinàriament complicat i realitzat en múltiples fases.

Procés constructiu

Fonaments

El pont se situa sobre un sòl deltaic. Com que els primers 45 m estan formats per argiles, llims fins i sorres fluixes, els pilons tenen 49 m de longitud fins arribar a les graves resistents.

Els enceps de les piles estan sota la làmina d’aigua. Fou necessari construir penínsules provisionals i recintes de pantalles amb tap de fons, per poder bombar l’aigua de l’interior i treballar en sec.

Les piles 3 i 4 tenen un encep suportat per 16 pilons de 1,50 m de diàmetre.

Pel que fa a les piles 1 i 2, la construcció dels fonaments fou força més complicada, ja que 13 m sota l’encep hi ha una línia d’alta tensió (220 kV) que alimenta l’aeroport («regalet» de FECSA-ENDESA que no va seguir el traçat de la línia que tenia administrativament autoritzat) (fig. 9). Per resoldre la situació, primer es va procedir a situar amb precisió la línia, es va utilitzar una sonda amb un mecanisme giroscòpic que permet la reproducció del traçat i es van contrastar els resultats mitjançant geo-radar amb un emissor amb giroscopi a l’interior de la canalització.

A partir del traçat real de la línia es va alinear l’encep en la seva direcció, girant-lo, i es va delimitar un passadís de seguretat de 6,00 m d’amplada que permetia l’execució dels pilons. Per minimitzar els efectes es va passar de pilons de diàmetre 1,50 m a 2,00 m, reduint-se el nombre de pilons de 30 a 20. Tot i així la mida final de l’encep va haver-se d’incrementar de 20,6 x 17 x 4,0 m x 23,1 x 20,1 x 5,5 m a causa del «pont» creat per saltar la línia elèctrica i al biaix respecte a l’eix del pont.

Desconeixem si l’administració ha realitzat cap acció per rescabalar-se dels problemes econòmics causats per FECSA-ENDESA, molt ens temem que no. És un exemple, com la porta giratòria entre les grans empreses de serveis i la política, que evidencia qui mana i qui s’apropia de la riquesa generada en aquest desgraciat país.

La combinació d’un tauler pesat de formigó i el sistema estructural que transmet fortes accions horitzontals exigeix aquest fonament enorme que, ell sol, consumeix gairebé el 50 % del formigó total del pont.

Els estreps tenen uns 1.400 i 2.500 m³ de formigó respectivament i són els elements més massius de l’obra. Formigonar-los en una fase hauria causat fissures degut a l’enorme gradient tèrmic intern. Per evitar aquest problema, el formigonat es va dividir en tres fases i la dissipació de calor es va controlar amb sensors tèrmics. La temperatura màxima es limitava a 70 ºC i el gradient entre el nucli i els laterals estava limitat a 30 ºC (fig. 7).

Piles

El repte de la construcció dels pilars era el petit angle amb l’horitzontal (21º i 28º) i la forta quantia d’armat. S’utilitzà formigó auto-compactant HA75 i encofrats estancs amb contra-encofrats en la part superior. El formigó auto-compactant exercia una gran pressió sobre l’encofrat i les cimbres, això exigí controlar la velocitat de formigonat per limitar les pressions.

Tauler

Per les seves magnituds, el formigonat del tauler i el pretensat del mateix s’ha de dividir en fases. Es va dividir en tres fases principals per utilitzar la cimbra i l’encofrat principals dues vegades, dues fases de 132 i 138 m des de cada estrep i la fase central de 34 m situada a l’àrea de l’arc (fig. 8), suportada aquesta per tres línies de pilars provisionals. Quan es va acabar la primera fase, es va desmuntar la cimbra i es va col·locar a l’altre costat, amb el tauler recentment construït ja completament funcional (fig. 11).

Arc

Els arcs són elements de formigó armat de secció quadrilàtera irregular i variable segons el seu eix. Els ancoratges dels tirants en els arcs són actius i inspeccionables i queden ocults dins d’uns encaixos de la secció que es van tapar amb xapes d’acer. No es volia, per raons estètiques, que els caps d’ancoratge sobresortissin de l’arc.

La geometria de l’arc, lluny a l’antifunicular de les càrregues, i les seves condicions d’encastament amb el tauler donen lloc a esforços flectors, tallants i torsors notables que van requerir d’unes quanties d’armadura de l’ordre de 400 kg/m³.

Per poder executar una geometria tan singular amb aquestes quantitats d’armadures només es podia fer mitjançant un formigonat continu de tot l’arc amb formigó auto-compactant.

Per limitar la pressió màxima del formigó auto-compactant, es va fer un estudi d’enduriment a partir d’unes proves prèvies. A partir d’aquestes es va marcar un ritme de formigonat de 0,5 m d’alçada per hora, amb aquest ritme es va evitar la formació de juntes fredes i el sobrepassar l’empenta màxim que podia resistir l’encofrat/contra-encofrat i la cintra. Malgrat que el volum era relativament petit, l’operació de formigonat va durar 29 h pel ritme limitat (fig.13).

La cintra es va recolzar sobre el propi tauler de formigó, els punts de suport van ser reforçats amb unes «mesetes» massissos de repartiment de càrregues per evitar danyar el calaix del tauler (fig. 12).

Tensat de tirants.
Posada en càrrega de l’arc

Com s’ha dit, abans de posar en tensió l’arc, el tauler a la zona central estava suportat per tres piles provisionals (fig. 12). Els cables es van posar en tensió per parelles des de l’arc segons una seqüència específica per arribar a les forces objectiu. Les forces de tracció als cables i la seqüència de posada en tensió es van dissenyar després d’un ampli estudi de la rigidesa del conjunt arc-cables-tauler- fonament.

La distribució de cordons i força de tesat final respon a la distribució de càrregues teòrica en la hipòtesi en què tota la càrrega permanent entrés de forma simultània. Aquest supòsit es va utilitzar per marcar la càrrega objectiu a la qual havien de quedar els tirants al final del procés de posada en càrrega.

La càrrega de l’arc és sens dubte la fase més important del procediment de construcció. Segons les simulacions numèriques del pont, l’estat de tensions final al tauler i l’arc era molt sensible a les forces presents en els cables abans que s’eliminessin els suports provisionals.

A més, les forces de tracció en els cables també eren molt sensibles a la rigidesa del sistema tauler-arcs-pilesfonaments. A tal fi (conèixer l’estat real de l’estructura a temps real) es monitoritzaren nombrosos punts del tauler, arcs i cables.

L’ús de la informació de la monitorització i de les forces de tensat dels cables va permetre calibrar els models numèrics per ajustar les forces a la situació final. Un cop verificat el model amb les mesures reals, el pont estava gairebé llest per ser posat en servei.

Després de tensar els cables, els suports provisionals encara suportaven una petita fracció del pes del tauler. Utilitzant mètodes d’elevació pesats, crics hidràulics d’acció coordinada, es va elevar el tauler, demolir la part superior dels suports provisionals i baixar el tauler a la seva posició final (figs. 14 i 15).

ACABATS I POSADA EN SERVEI

Després d’acabar l’estructura pròpiament dita, es van executar la majoria d’elements d’acabat: juntes, barreres, baranes i imposta, impermeabilització, pavimentació, senyalització i finalització del pintat del pont.

Abans d’obrir el pont als usuaris, l’estructura va superar una darrera prova, la de càrrega. Utilitzant camions de 38 T, el tauler es va carregar en diferents fases que simulaven les pitjors condicions de càrrega del servei que pot haver de suportar. Es van realitzar cinc estats de càrrega per a simular les condicions pèssimes en diferents elements: màxima càrrega en tram central, màxima càrrega en obertures laterals, màxima flexió negativa sobre piles i màxima càrrega torsional a un costat i a l’altre (fig. 16).

Durant la prova, es va mesurar la deflexió i es van controlar les forces i tensions que s’obtenien del sistema de mesura a temps real. Aquests resultats van ser consistents amb els proporcionats pels models teòrics utilitzats en el disseny. Quan es va descarregar el pont, la deflexió residual fou inferior a 1 mm.

CONCLUSIÓ

El singular esquema estructural i el formalisme refinat han donat al pont de Nelson Mandela un atractiu estètic elevat que l’ha convertit en un referent de l’Àrea Metropolitana de Barcelona (figs. 17 i 18).

La singularitat de la infraestructura prové també del seu nom, el 2016, el Conseller de Territori i Sostenibilitat de Catalunya, juntament amb l’alcalde d’El Prat i el cònsol honorari de Sud-àfrica, van presidir l’acte de bateig simbòlic del pont com a Pont Nelson Mandela, un símbol universal de pau, justícia i igualtat, i també, perquè no com a reconeixement a un home que fou un gran constructor de ponts, ponts de paraules en el seu cas.

REFERÈNCIES

1. Rosa García, JC. Metodología para el control térmico en la ejecución de grandes elementos de hormigón. Aplicación a la cimentación del Pont de la Gola del Llobregat. Master Minor Thesis. Barcelona: ETSECCPB, UPC; 2013.
2. Reventós, Manuel; Guàrdia, Jaume. Construction and instrumentation the Llobregat River Mouth Bridge. 37th Iabse Symposium. Madrid, 2014.
3. Reventós, M.; Guàrdia, J. Racionalizando el Puente de la Gola del Llobregat. Un análisis crítico. VI Congreso de ACHE, Madrid, 2014.
4. Reventós, M.; Guàrdia, J. Construcción e instrumentación del Puente de la Gola del Llobregat. VI Congreso de ACHE, Madrid, 2014.
5. Reventós, Manuel; Guàrdia, Jaume; Rosa García, JC. Construcción del vano de 150 m del Puente Nelson Mandela sobre el Río Llobregat: Congreso ACHE 2017. La Coruña.

RESUM DE DADES DE L’OBRA

Dades geomètriques

Materials

Dades econòmiques

Equip participant a les obres