Introducción
El nuevo puente ferroviario Biobío viene a sustituir a un puente histórico preexistente, que se encuentra ubicado entre las localidades de Concepción y San Pedro de La Paz, en el centro de Chile. Construido en 1889, en su momento fue el primer puente de ferrocarril que permitía la conexión de ambas riberas del río en esa zona.
El puente, a lo largo de su dilatada vida en servicio, ha sido objeto de diversas actuaciones para permitir el paso de ferrocarriles más actuales, con mayores pesos por eje y con diversos tipos de tracción. También han sido necesarios trabajos de reparación de diverso alcance debido a daños en la estructura. Aunque las operaciones de mantenimiento y reparación realizadas han permitido mantener el puente en servicio en condiciones de seguridad hasta la actualidad, debido a que se trata de un puente de vía única de ancho muy estricto y por los futuros requerimientos de capacidad, ha sido necesario llevar a cabo el proyecto y construcción de un nuevo puente acorde a los criterios normativos más recientes.
Ubicación puente de ferrocarril Biobío
Proyecto del puente
Concepción general
El puente ferroviario original estaba formado por una sucesión de 62 vanos de luces en torno a los 30 m a excepción de los dos vanos iniciales en la zona de Concepción, cuya luz es algo superior. Se trataba de una estructura metálica de vía única, formada por encepados de 6 pilotes y vanos constituidos por celosías sobre las que se disponen las traviesas y carriles.
Vista general puente original
Según los estudios de mecánica fluvial, para conseguir el mejor comportamiento hidráulico del río Biobio en situación de crecida, el nuevo puente se debía ubicar aguas abajo del original, presentar un trazado recto en planta, aunque ligeramente esviado respecto al primero, y debían colocarse los encepados de cimentación alineados con los de la estructura existente. La separación entre ambos puentes oscila entre los 15 m en la zona de San Pedro de La Paz y los 30 m en la ribera de Concepción, siendo la separación entre ejes de apoyos en torno a los 30 m, salvo los vanos iniciales en la zona de Concepción donde se llega a vanos de 45 m.
A pesar de la importante longitud del puente (1.882 m), la nueva estructura resultaba regular, adecuada a tipologías muy industrializables.
Para dar respuesta a estas posibilidades de industrialización, se analizaron diversas soluciones de tablero mixto. En este caso particular, aunque soluciones bijácenas resultaban muy interesantes, la separación entre vigas necesaria para no penalizar el diseño transversal y criterios relativos a situaciones accidentales, hicieron que se acordará la utilización de un cajón con doble acción mixta.
Adicionalmente, con el objetivo de dar mayor visibilidad y relevancia al puente, EFE, la Empresa de los Ferrocarriles del Estado chileno solicitó añadir una estructura de índole ornamental sobre los encepados.
Infografía general del puente y de estructura ornamental
Descripción
El nuevo puente se sitúa entre el P.K. 1+192 y el P.K. 3+074 del proyecto, dando lugar a una estructura de 1.881,97 m de longitud.
El puente está constituido por un total de 62 vanos con la siguiente distribución de luces: 44,775 + 2 x 33,900 + 58 x 30,000 + 29,400. Los dos vanos iniciales, además de ser los de mayor luz, resultan esviados a causa de carretera existente.
En planta, la estructura está conformada por una geometría poligonal de tres tramos que permiten inscribir el trazado ferroviario curvo en un tablero de ancho fijo tipo de 14,60 m, con anchuras puntuales menores de 13,80 m en la zona de los encepados. El tablero tiene anchura suficiente para alojar dos vías de ferrocarril más sendos paseos peatonales para mantenimiento. Las vías van colocadas sobre balasto.
El tablero es de tipo mixto, formado por una losa de canto variable de hasta 0,40 m de espesor y un cajón metálico de 2,00 m de canto constante. Las almas están separadas 6,60 m y dan lugar a voladizos laterales de 4,00 m para la losa superior. En las zonas de apoyo se dispone una losa inferior de hasta 0,40 m de canto para hacer frente a las flexiones negativas.
Sección tipo tablero
El tablero se apoya sobre aisladores sísmicos que protegen a la infraestructura en caso de sismo y se disponen barras y topes sísmicos en todos los encepados para garantizar la seguridad ante eventos sísmicos extraordinarios.
Cimentaciones
Dentro del trazado se pueden diferenciar tres zonas. Hasta el encepado C03 se pueden realizar cimentaciones profundas mediante pilotes con la punta dentro de un estrado rocoso. En este primer tramo se han empleado alineaciones de 4 pilotes de 2.000 mm para apoyos interiores y alineaciones dobles de 3 pilotes de 2.000 mm para apoyos de juntas, alcanzándose profundidades de hasta 29,50 m.
Ejecución de pilotes
Entre el encepado C03 y el C21 el suelo es arenoso con intercalaciones de limos o limos-arenosos no plásticos. Los pilotes se empotran en suelos cohesivos duros y se han empleado dos alineaciones de 4 pilotes de 1.500 mm de diámetro con profundidades de hasta 51,50 m.
El tramo final se encuentra en suelos arenosos de compacidad densa a muy densa. Se han empleado alineaciones de 4 pilotes de 1.800 mm de diámetro para los apoyos interiores y dos alineaciones de 3 pilotes en apoyos de junta, con profundidades de hasta 41 m.
Vista general encepados tramo 3
Vista de los encepados en la época de crecida del río
Al disponer los encepados por encima de la lámina de agua, los pilotes disponen de una parte aérea o sumergida que oscila entre los 3 y 8 m, más una parte enterrada de longitud variable. Ante una posible socavación, debían tenerse en cuenta situaciones de diseño en las que la longitud libre y enterrada de los pilotes sufriera variaciones importantes. Para el diseño estructural, se adoptó una socavación máxima de 11 m, que dio lugar a situaciones con longitudes libres entre 14 y 19 m, concomitantes en algunos casos con la situación accidental de sismo, que resultaban dimensionantes para los pilotes.
Los pilotes se han proyectado utilizando un hormigón de 25 MPa de resistencia característica y un acero con límite elástico 550 MPa. La armadura longitudinal se ha proyectado utilizando barras de Ø43 conectadas con manguitos. La armadura transversal se ha materializado con espirales de Ø16 (simples o dobles).
Dado que la posición de los encepados no se podía alterar, que tampoco se podía reducir la altura de socavación, y que la profundidad de empotramiento de pilotes estaba condicionada por el terreno, para lograr una optimización técnica y económica del proyecto se adoptó el uso de dispositivos de aislamiento sísmico.
El uso de este tipo de dispositivos implica la modificación de los espectros de diseño, reduciéndose de manera reseñables los cortantes basales, del orden del 20-30 %, que se tradujeron en reducciones de cuantías de armado en pilotes del entorno del 15%.
Tablero
El tablero, de doble acción mixta, se ha resuelto mediante un cajón metálico de 2 m de canto constante. Aunque los vanos iniciales presentan luces sensiblemente mayores y con apoyos esviados, se ha optado por mantener el mismo canto en todos los vanos aumentando las dimensiones de las vigas principales y los espesores de chapas. Superiormente, se dispone una losa de hormigón de 14,6 m de ancho, con un canto variable de 235 mm en los bordes de los vuelos, 300 mm en la zona de apoyo en las almas y de 400 mm en el eje central del tablero.
Las almas del cajón se disponen separadas 6,60 m con voladizos laterales de 4 m. La elección de la separación de las almas, además de para permitir disponer de vuelos laterales compatibles con la no utilización de elementos como costillas o jabalcones, se ha elegido de manera que los carriles exteriores de cada vía resulten casi coincidentes con las almas del cajón, limitando de este modo las solicitaciones transversales. En la parte exterior se rigidizan las almas del cajón con células inclinadas.
En todos los casos se disponen losas de fondo en zonas de apoyo, de canto variable de entre 200 y 400 mm, para mejorar la respuesta del tablero frente a solicitaciones de flexión negativa. La losa inferior mejora también la respuesta torsional del tablero en zona de apoyos, donde las solicitaciones de torsión son de mayor magnitud.
La rigidización del cajón consiste en diafragmas de tipo celosía cada 5.000 mm y rigidización transversal cada 1.667 mm, entre diafragmas. La chapa de fondo dispone de rigidizadores longitudinales en forma de “T” cada 900 mm, continuos a lo largo de todo el tablero salvo en los mamparos de apoyo.
Los mamparos de apoyos, formados por vigas de doble alma, permiten la conexión de las barras antisismo, dan continuidad a la losa de fondo, y se prolongan por el exterior para materializar la superficie de contacto con los topes sísmicos. Se han previsto una rigidización y unas chapas de transferencia, necesarias para realizar una futura sustitución de apoyos.
En la parte superior se dispone una celosía con cruces entre diafragmas. Una vez ejecutada la losa superior, esta celosía ya no se considera colaborante a efectos de diseño.
Vano tipo cajón metálico
En aras de lograr un procedimiento constructivo lo más simplificado posible, la losa superior del tablero se ha proyectado empleando para su ejecución prelosas prefabricadas nervadas de 80 mm de canto mínimo en la zona de valles y de 180 mm de canto en la zona central de los nervios. Las prelosas cuentan con huecos para la conexión con el cajón metálico, la conexión de las barras antisismo, y para el paso de instalaciones.
Colocación de prelosas
Los elementos metálicos se han diseñado con acero ASTM A709 Gr.50, de límite elástico 345 MPa, y las armaduras pasivas son ASTM A706 Gr.80 de límite elástico de 550 MPa. El hormigón de las losas es de 40 MPa.
Diseño sísmico
El nuevo puente se encuentra situado en una zona de sismicidad elevada, con una aceleración máxima del suelo de 0.50g para el sismo de diseño y de 0.75g para el sismo máximo posible, para períodos de retorno de 500 y 1.000 años respectivamente. La definición de los espectros de diseño se ha realizado de acuerdo a lo prescrito en el MC-Vol.3 de Chile considerando períodos de retorno de 475 y 1.000 años.
Para mejorar el desempeño sísmico de la estructura, así como reducir las solicitaciones en la infraestructura, se optó por disponer aparatos de aislamiento elastoméricos con núcleo de plomo. Estos aisladores son elementos flexibles, pero capaces de soportar las cargas verticales de la estructura. La mayor flexibilidad lateral de los aisladores respecto de la estructura implica que la mayor parte de los movimientos laterales se producen en los aisladores, permitiendo reducir las aceleraciones sísmicas al aumentar el período de vibración de la estructura.
La inclusión de un núcleo de plomo en el interior del elastómero permite dotar a la estructura de amortiguamiento adicional gracias a la disipación de energía que aporta el núcleo. La disipación se logra gracias al comportamiento elastoplástico del plomo y a su cristalización rápida, lo cual permite que la descarga tras la plastificación se produzca de forma elástica. El análisis de los aisladores sísmicos se ha realizado empleando la metodología multimodal espectral, donde el aislamiento se logra aplicando una rigidez efectiva al aislador y el amortiguamiento, reduciendo el espectro de respuesta para los períodos aislados.
Teniendo en cuenta las características del puente y del terreno, finalmente se han dispuesto tres tipos de aisladores diferentes en la estructura logrando reducciones de solicitaciones sobre pilas-pilote entorno a un 20 % por efecto de la disipación. Adicionalmente, se han podido reducir los movimientos sísmicos en juntas por la contribución de la rigidez del plomo, y también los movimientos frente a solicitaciones rápidas (frenado, arranque o viento) ya que el plomo no llega a plastificar para estas acciones siendo su rigidez muy superior al elastómero. También se logra una mayor amortiguación global de la estructura.
Las barras antisismo coaccionan el tablero e impiden movimientos extremos en casos de sismos de gran magnitud. El detalle de conexión entre tablero y encepados usualmente utilizado prevé disponer las barras empotradas a ambos lados de los apoyos. Esta disposición, si bien se ha demostrado efectiva, presentaba algunos inconvenientes que hacía que su uso en el caso del puente resultara desaconsejable.
En el proyecto se optó por diseñar conexiones para las barras que permitieran el libre movimiento del tablero en situaciones de servicio y sismos de diseño, de manera que los aisladores pudieran funcionar libremente hasta su límite de diseño. Sólo en caso extremos, las barras coaccionan longitudinalmente el tablero.
Vista 3D de conexión de barras
En dirección transversal, se disponen topes de hormigón armado que evitan una eventual pérdida de apoyo del tablero en caso de eventos sísmicos extraordinarios, por encima de los considerados en el diseño general.
Interacción vía-estructura
En el diseño del tablero del nuevo puente, se han dispuesto juntas de dilatación cada 180 m como máximo (longitud dilatable igual 90 m), por ser la distancia a partir de la cual no puede garantizarse que las variaciones tensionales en los carriles sean admisibles. A pesar de lo anterior, dadas ciertas singularidades de la estructura y por la utilización de dispositivos de aislamiento sísmico, se han realizado análisis de interacción vía-estructura de acuerdo a lo prescritos en el Eurocódigo 1 (EC1) y en la UIC-774, obteniéndose en todos los casos la no necesidad de colocación de aparatos de dilatación de vía.
Construcción
Para la ejecución de los pilotes, encepados y estribos se han empleado en todos los casos penínsulas de tierra provisionales que han permitido la construcción empleando métodos convencionales. Una vez ejecutados estos elementos, se ha procedido a la ejecución del tablero bien con grúas autopropulsadas en algunos casos puntuales o bien empleando equipos lanzavigas diseñados específicamente para este proyecto.
Montaje de vano inicial con grúas autopropulsadas
Montaje de vano con lanzavigas
Conclusión
En noviembre de 2025 se concretó la segunda fase de la puesta en operación del nuevo puente ferroviario para la región del Biobío que hoy permite al tren de pasajeros conectar Coronel y San Pedro de la Paz con Talcahuano, Hualpén, Concepción, Chiguayante, Hualqui, San Rosendo y Laja.
De la misma manera, esta estructura da soporte a la movilización de la carga a los diferentes puertos aportando a la economía y desarrollo de la región y sur del país, convirtiéndose, además, en un nuevo ícono arquitectónico para el Gran Concepción y del Biobío.
El puente ferroviario permite velocidades de hasta 100 km/hora en el caso de los trenes de pasajeros y 65 km/hora para los de carga. Es antisísmico y soporta aumentos del caudal del río, lo que otorga continuidad al sistema ferroviario robusteciéndolo y desarrollándolo.
