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Testo a cura di/Text written by Ing. Mario de Miranda

Ponte strallato in Brasile A cable-stayed bridge in Brasil

Introduzione

Introduction

ll’estremità nord della città di Natal, capitale dello Stato del Rio Grande do Norte nel Nordest Brasile, è stato recentemente completato un nuovo ponte che unisce le rive del rio Potengi, nei pressi della sua foce nell’Oceano Atlantico. Il ponte è stato inaugurato nel dicembre 2007. La governatrice Wilma de Faria gli ha dato il nome di Ponte de Todos- Newton Navarro, in onore dell’omonimo artista originario di Natal, che fu un importante poeta, scrittore e pittore. La nuova opera consentirà l’espansione dell’area urbana verso il litorale nord, al di là del rio Potengi, con positive ricadute per lo sviluppo economico della città e soprattutto della popolazione delle nuove aree ora raggiunte, aree di grande pregio naturale e di forte valenza turistica. La presenza del porto cittadino all’interno della foce del rio Potengi ha imposto un’altezza del piano stradale compatibile con il transito di grandi imbarcazioni, ed in particolare delle navi che collegano Natal con la splendida isola Fernando di Noronha, distante 300 km, in mezzo all’oceano. La necessità di un nuovo attraversamento che collegasse direttamente la città di Natal con la zona di Redinha era sentita da oltre un decennio; ma solo nel 2004 fu possibile avviare concretamente il progetto la cui realizzazione è stata completata nell’arco di quattro anni. Il nuovo ponte comprende due viadotti d’accesso ed un ponte strallato centrale. Lo sviluppo totale dell’attraversamento è di 1782 m. I viadotti d’accesso si sviluppano su luci di 43.20 m con pile binate, pulvini e travate formate dall’accoppiamento di travi prefabbricate a piè d’opera in cap. Il ponte strallato principale, presenta una luce centrale di 212 m e due campate latera-

t the extreme north of the city of Natal, capital of the state of Rio Grande do Norte in northeast Brazil, a new bridge was recently completed, which links the banks of the Rio Potengi river, nearby where it empties into the Atlantic ocean. The bridge was opened in December 2007. The governor, Wilma de Faria, named it the Bridge of Todos-Newton Navarro, in honor of the artist of the same name of Natal, who was an important poet, writer and painter. The new structure will enable the expansion of the urban area towards the north littoral, across the Rio Potengi, with positive fallout for the economic development of the city and most especially for the development of the population of the new areas now reached, areas of great natural value and of strong tourist attraction. The existence of the urban port in the mouth of the Rio Potengi demanded a deck height compatible with the transit of large ships, and in particular of the ships connecting Natal with the splendid Fernando de Noronha island, 300 km distant, in the middle of the ocean. The need for a new crossing that directly connected the city of Natal with the Redinha zone had been felt for more than a decade, but only in 2004 could the project be concretely started up; it was completed in four years time. The new structure includes two approach viaducts and a central cable-stayed bridge. Its total length is 1782 metres. The approach viaducts run on 43.20-metre spans with paired piers and pulvinos, and girders formed of the pairing of prestressed-concrete beams precast on site. The principal, cable-stayed, bridge has a centre span 212 m long and two 94-metre-long approach spans for a total length of 400 m. The deck rides over the Rio Potengi at a height of 58 m to permit large ships to pass. It bears four highway lanes as well as two

A Opera/Project Ponte stradale strallato/Road cable-stayed bridge Localizzazione/Location Rio Potengi, Natal, Brasile/Potengi river, Natal, Brasil Progetto/Design Ing. Mario de Miranda, Studio DE MIRANDA Associati, Milano Collaboratori/Assistants Ing. Elena Gnecchi Ruscone, ing.Alessandro De Palma, ing. Fabio Pigni, ing. Cesare Di Domenico Supervisione/Supervisor: prof. ing. Fabrizio de Miranda Progetto viadotti d’accesso/Access viaducts’ design CAF - Engenharia, Curitiba, Brasile Progetto geometrico-stradale/Geometric and road design Engecal, Natal Direzione del progetto/Project management Ing.Alex Barros de Sá – Protende, San Paolo Coordinamento e Direzione lavori/ Coordination and work management SIN (Secretaria da Infra Estrutura do Estado do Rio Grande do Norte) Elaborati grafici/Drawings Enescil Engenharia, San Paolo Impresa costruttrice (ponte)/Contractor (bridge) Consorzio imprese/Company consortium: Queiroz Galvão/Construbase, San Paolo Impresa costruttrice (impalcato, precompressione, stralli)/Contractor (deck, prestressing, stays) Protende, San Paolo – (Tecnologia/Technology: Protende-Tensacciai) Fotografie/Photographs Alex Ribeiro Fernandes - Natal Studio de Miranda - Milano (foto nn. 2-3-pp. 40, 55/sup) Descrizione dell’opera/Project’s description Un nuovo ponte sul fiume Potengi, realizzato nei pressi della sua foce nell’Oceano Atlantico, consentirà l’espansione dell’area urbana verso il litorale Nord. La presenza del porto all’interno della foce ha imposto un’altezza del piano stradale (58 m) compatibile con il transito di grandi imbarcazioni. Il ponte comprende due viadotti d’accesso con luci di 43,20 m ed un ponte strallato che presenta una luce centrale di 212 m e due campate laterali di 94 m, per una lunghezza totale di 400 m. A brief description of the project in English, French, German and Spanish languages can be read at the end of the article.

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1- Profilo longitudinale del ponte; 2- Posa in opera delle armature e dei tubi-forma superiori prima del getto di un concio dell’antenna; 3- Costruzione delle pile centrali; 4- Costruzione delle pile del viadotto e delle pile di ormeggio del ponte. 1- Bridge grade profile. 2- Installing the reinforcings and the upper pipe-forms •before the pour of a pylon segment. 3- Construction of the center piers. 4- Construction of the viaduct piers and of the bridge mooring piers.

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li di 94 m, per una lunghezza totale di 400 m. L’impalcato scavalca il rio Potengi ad una altezza di 58 m per consentire l’attraversamento di grandi imbarcazioni. Consente il transito su quattro corsie stradali, oltre a due corsie di emergenza e due percorsi pedonali, con una larghezza di 24.30 m. Architettura

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La struttura è interamente realizzata in calcestruzzo precompresso ed è caratterizzata da una elevata snellezza strutturale. La morfologia del ponte è impostata a criteri di semplicità e simmetria strutturale, ricercando un corretto equilibrio formale tra le masse strutturali degli elementi che si elevano al di sopra del piano stradale e che ad esso forniscono il sistema di sospensione e quelli sottostanti, che ne garantiscono il sistema d’appoggio. L’impalcato è formato da una coppia di travi laterali, una serie di traversi ed una soletta in calcestruzzo. Le pile e le antenne, all’incirca della medesima altezza, sono collegate a livello dell’impalcato da un grande traverso che conferisce rigidezza al sistema trasversale configurandone una caratteristica sagoma ad H. L’insieme strutturale formato dai suoi elementi principali: pile-antenne-travi e stralli, è organizzato su una coppia di piani paralleli che evidenziano visivamente le caratteristiche di equilibrio e simmetria della struttura trasmettendo all’osservatore l’immagine di due grandi vele trasparenti a cui è sospeso il collegamento stradale. I viadotti d’accesso hanno il medesimo schema di pile binate del ponte principale; l’altezza delle travi d’impalcato è dello stesso ordine di grandezza di quella dell’impalcato sospeso. Con una altezza delle antenne di 107 m sopra il mare il ponte di Natal rappresenta il ponte più alto, oltre che il maggior ponte urbano,

emergency lanes and two sidewalks. It is 24.30 m wide. Architecture The structure is entirely of prestressed concrete and features a high structural slenderness. The bridge morphology follows criteria of simplicity and structural symmetry, seeking a correct formal balance between the structural masses of the elements rising above street level, which furnish to it the suspension system, and the systems below, which ensure the support system. The deck is formed of a pair of lateral beams, a series of crosspieces and a concrete slab. The piers and pylons, of about the same height, are connected at deck level by a large crosspiece that stiffens the crosswise system. It thus has a characteristic H profile. The structural whole formed by its principal elements: piers-pylons-beams-stays, is organized around a pair of parallel planes that visually bring out the structure’s characteristics of balance and symmetry. The image it transfers to the observer is of two great transparent sails from which the road connection is suspended. The approach viaducts have the same scheme of paired piers as the main bridge. The depth of their deck beams is of the same order of magnitude as the suspended deck’s. Its pylon height of 107 m above the sea makes the Natal bridge the highest bridge, as well as the major urban bridge, in Brazil today. Structural conception The principal bridge structure is then identified by two parallel vertical planes in which are located the principal structural elements: footings, piers, pylons, stays and principal deck beams. The deck is solidly joined with the vertical elements by which it is supported and from which it is suspended: that is the pier shafts and the 43

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5- Sezione trasversale di impalcato; 6-7- La costruzione a sbalzo dal•l’antenna dell’impalcato con l’installazione progressiva degli stralli; la con-

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5- Cross section through deck. 6-7 Cantilevered construction from the deck pylon with the progressive installation of the stays.The monolithic connection between deck piers and pylons gave stiffness to the structural system during the construction phases when the bridge displayed its longest cantilevers and greatest flexibility. 8- Completion of the pylons and, above, the access viaduct end span 9- The dual balanced cantilever advances toward the abutment-pier and toward midspan,a pair of overslung pour cars being used.The construction of the pylons goes ahead in parallel.

nessione monolitica tra pile, impalcato e antenne ha fornito rigidità al sistema strutturale durante le fasi esecutive in cui il ponte presentava i massimi sbalzi e la massima flessibilità; 8- Completamento delle antenne ed in alto la campata terminale del viadotto d’accesso; 9- Il doppio cantilever, bilanciato, avanza verso la pila-spalla e verso la mezzeria con l’ausilio di una coppia di carri di getto a struttura superiore; parallelamente avanza la realizzazione delle antenne.

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pylons, and is thus continuous with the two mooring piers. In the longitudinal plane the structure may be viewed as a great three-span portal whose crosspieces are stiffened and supported by the stays-pylons system. In the crosswise plane the structure is still characterized by complete structural continuity. The piers-pylons complex is in fact configured as an H frame. The mooring-piers system is instead configured as simple portals, with summit crosspieces of great depth and stiffness. The scheme illustrated is then characterized by full solidarity between the structural members, and enables obtaining the greatest structural stiffness both in service and during construction, and in particular during the phases in which the two great dual cantilevers with near-

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10- Il raggiungimento delle pile d’ormeggio ha rappresentato una delle fasi costruttive più delicate a causa della massima flessibilità e sensibilità delle due semistrutture al vento (oscillazioni verticali e torsionali) ed ai carichi verticali squilibrati durante il getto dei conci; 11-12 Le ultime fasi della costruzione dell’impalcato; lo sbalzo lato Sud ha raggiunto la lunghezza di 100 m. Sullo sfondo la città di Natal; 13-14-15 La realizzazione del concio in chiave dell’impalcato strallato; il getto è stato preceduto dall’applicazione di una presollecitazione dell’impalcato e delle pile mediante una coppia di martinetti orizzontali e dispositivi di contrasto.

at the mooring piers marked a highly sensitive construction phase •owing10-toArrival the two semi-structures’ great flexibility and sensitivity to wind (both verti-

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cal and torsional oscillations) and to the unbalanced vertical loads during the pour of the segments.11-12 Final phases in the deck construction; the south-side cantilever has reached the length of a hundred metres. In the background the city of Natal. 13-14-15 Construction of the crown segment for the stayed deck. Its pour was preceded by the application of prestressing to deck and piers using a pair of horizontal jacks and their necessary reaction structures.

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del Brasile di oggi. Concezione strutturale La struttura principale del ponte è individuata, quindi, da due piani paralleli e verticali nei quali sono ubicati gli elementi strutturali principali: plinti-pile-antenne-stralli e travi principali d’impalcato. L’impalcato è solidale con gli elementi verticali a cui è appoggiato e sospeso, cioè i fusti delle pile e le antenne, e risulta quindi continuo tra le due pile d’ormeggio. La struttura può essere vista, nel piano longitudinale, come un grande portale a tre luci i cui traversi sono irrigiditi e sostenuti dal sistema stralli-antenne. Nel piano trasversale la struttura è ancora caratterizzata dalla completa continuità strutturale. Il complesso pile-antenne è infatti configurato come un telaio ad H. Il sistema delle pile d’ormeggio è invece configurato a portali semplici, con traversi di sommità di grande altezza e rigidezza. Lo schema illustrato è quindi caratterizzato dalla piena solidarietà tra gli elementi strutturali, e consente di ottenere la massima rigidità strutturale sia nelle fasi di costruzione, ed in particolare nelle fasi in cui devono risultare ben stabili i due grandi doppi cantilever con sbalzi prossimi ai 100 m, che in esercizio. Consente anche di evitare articolazioni tra impalcato e pile, le quali comportano discreti problemi tecnici e non trascurabile impegno per la relativa ispezione e manutenzione. Va detto che lo schema realizzato è stato reso possibile dalla grande altezza dell’impalcato sul fiume che ha fornito la necessaria flessibilità longitudinale alle pile, tale da assorbire le sollecitazioni indotte dalle variazioni termiche e, soprattutto, dal ritiro e dalle deformazioni viscose del calcestruzzo. Va anche osservato che, dualmente, la elevata altezza ha reso necessaria, o quantomeno 48

molto opportuna, la massima rigidezza strutturale fornita dall’incastro longitudinale e trasversale tra pila-antenna ed impalcato. Ciò nondimeno, lo schema adottato era già stato da noi utilizzato con successo in un ponte strallato con luce di 200 m e altezza sull’acqua di 23 m, costruito sul fiume Sergipe presso la città di Aracajù, ancora in Brasile [1]. In questo caso le pile, allo scopo di ottenere la rigidezza flessionale ottimale, furono realizzate con uno schema a doppia lama. Elementi costruttivi Le fondazioni del ponte sono realizzate con plinti a spessore variabile impostati su pali di calcestruzzo, previsti inizialmente infissi, poi realizzati in opera, gettati in tubi d’acciaio del diametro di 1.80 m con lunghezze di 45 m. Le pile sono costituite da fusti scatolari in calcestruzzo armato. Le pile principali sono bicellulari, con spigoli esterni arrotondati. Ciascuna coppia di pile è collegata da un traversone a parete piena, munito di ampi raccordi circolari d’estremità, e a cui è stata applicata in differenti fasi durante la costruzione una precompressione longitudinale. Le pile d’ormeggio sono monocellulari e sono precompresse verticalmente. Precompresso è anche il traversone di sommità, ove è realizzato l’attacco dell’estremità dell’impalcato e l’alloggiamento per gli appoggi della adiacente campata del viadotto. Le antenne sono cave, prismatiche, relativamente snelle nel piano trasversale, con sezione formata dallo sviluppo di un rettangolo allungato in direzione longitudinale, con i due lati maggiori formanti due superfici convesse. La sezione è fortemente armata verticalmente; la zona degli ancoraggi degli stralli è precompressa trasversalmente. L’impalcato è composto da una coppia di travi longitudinali, con interasse reciproco di 20 m, complanari con pile antenne e stralli,

a sezione trapezoidale piena, con sbalzi laterali e spigoli arrotondati. Questo tipo di sezione d’impalcato era stato adottato nel progetto del ponte sul rio Guamà, nello Stato del Parà, Brasile, nel 20002002 [2], [3] e si era dimostrata efficace in termini di efficienza strutturale e di praticità esecutiva per vari motivi. L’assenza di casseri interni per la realizzazione delle travi, l’aver cioè evitato travi a cassone, semplifica molto la costruzione. Inoltre la presenza di spigoli arrotondati nella conformazione delle travi comporta vantaggi sia di ordine tecnico che formale. Innanzitutto evita concentrazioni di tensioni termiche nelle zone degli spigoli. In secondo luogo migliora le caratteristiche aerodinamiche dell’impalcato e conferisce ad esso una forma meno rigida e più naturale, sfruttando peraltro una opportunità che la costruzione in calcestruzzo, in cui la forma è ben facilmente modellabile, generosamente concede. Le travi longitudinali sono collegate da una serie di travi trasversali che sostengono la soletta, e che sono precompresse con coppie di cavi parabolici. Le travi longitudinali sono precompresse da un sistema di cavi longitudinali previsti per le fasi esecutive e da una serie di cavi longitudinali installati in parte prima e in parte dopo la chiusura in chiave. Allo scopo di garantire l’equilibrio dell’impalcato e delle antenne durante la costruzione a sbalzo, pur con campate di riva più corte della semicampata centrale, il peso proprio della campata centrale e delle campate di riva è stato differenziato, aumentando quello delle campate laterali e ottenendo una generale ottimizzazione nei tiri degli stralli, nei momenti d’impalcato e nelle reazioni degli stralli d’ormeggio. Gli stralli sono costituiti dall’accoppiamento di trefoli paralleli con diametro di 15.7 mm, zincati e viplati e protetti esternamente da iiC•1/2009

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hundred-metre projections must be very stable. It also obviates moveable joints between deck and piers, which would involve engineering problems and non-negligible inspection and maintenance systems. It should be noted that the scheme realized was made possible by the great height of the deck, which furnished the necessary longitudinal flexibility to the piers, enabling them to take the stresses induced by temperature variations and, most especially, by concrete shrinkage and creep. To be noted too is that the great height made necessary, or anyway very suitable, the structural stiffness furnished by the longitudinal and crosswise fixed-joint between the deck, and pier and pylon. Despite this the scheme adopted had already been successfully used by us in a cable-stayed bridge having a 200 metre span and height above water of 23 m, built over the river Sergipe near the city of Aracaju, it too in Brazil[1]. In this case the piers, in order to obtain the optimum bending stiffness, were built with a dual blade scheme. Construction elements The bridge foundations were built with variable-depth footings. They bear on concrete piles poured in steel pipes 1.80 m in diameter and 45 m long; the soil is prevalently granular. The piers consist of reinforced-concrete boxsection shafts. The main piers have double box section, with rounded outside corners. Each pair of piers is connected by a full-wall crosspiece furnished with rounded fillings at its ends. To it a longitudinal prestressing was applied during different construction phases. The mooring piers are single box section and are vertically prestressed. Prestressed too is the top crosspiece, where is created the attachment of the deck end and the housing for the bearings of the adjacent viaiiC•1/2009

duct span. The pylons are prismatic, hollow and relatively slender in the crosswise plane. Their section is formed by the development of a rectangle elongate in the longitudinal direction, with the two major sides forming two convex surfaces. The section was heavily reinforced vertically; the stay-anchorages zone is prestressed crosswise. The deck comprises a pair of longitudinal beams, spaced 20 m apart, coplanar with piers, pylons and stays, having a full trapezoidal section, with side wings and rounded edges. This type of deck section was adopted in the design of the bridge over the Rio Guamà, in the state of Parà, in Brazil, in 2000-2002 [2], [3]. It showed itself structurally efficient and practical construction-wise for sundry reasons. The absence of internal forms for the pour of the beams, box beams having been discarded, much simplified construction. Furthermore, the beams’ rounded edges involve both formal and engineering advantages. In fact they avert thermal-stress concentrations in the edge zones. But they also improve the deck aerodynamic characteristics and grant to it a less rigid and more natural form, thus exploiting an opportunity that concrete construction, in which the form is easily modeled, generously grants. The longitudinal beams are connected by a series of cross beams that sustain the slab and are prestressed with pairs of parabolic cables. The longitudinal beams are prestressed by a system of longitudinal cables envisaged for the construction phases and by a series of longitudinal cables installed in part before and in part after closure at the crown. Equilibrium of deck and pylons during cantilever construction, even with bank spans shorter than the central semi-span, was obtained by differentiating the own weight of the centre span and of the bank spans. This was done by increasing that of the side spans and obtaining a general optimization in the tensioning of the

stays, in the deck moments and in the reactions of the mooring stays. The stays are formed by pairing parallel strands of 15.7 mm diameter. These, galvanized and individually protected by plastic sheats, are protected outside by HDPE pipes having a surface roughened by helicoidal rises. The anchorages on the deck are spaced five metres apart, corresponding to the segment lengths. The strands in the deck are lodged in steel pipes sunk in the pour, and the load is transferred very directly and simply, the counter plates bearing on a full, strong and stiff structure. The principal forces balancing the vertical loads through the triangles of forces formed by the tractions in the stays and by the compressions of the pylons and the deck beams, are, for the reasons set forth above, all contained in the same plane. And it is this planarity of the principal forces that obviated the need for large upper cross pieces between the pylons. Aerodynamics In the bridge zone a wind of 15 to 18 knots blows very frequently at sea level, coming from southeast (about 180 days from SE, 100 days from E and 50 from S). The speeds at deck level and at the tower tops are sensibly greater, just as, of course, are the design-wind speeds (45 m/second). The prevailing wind direction corresponds substantially to the bridge’s longitudinal alignment and the absence of transverse beams at the pylon tops averts a significant horizontal load at great height, one almost permanent. The pylon sections were formed with an elongate shape and profiled to minimize wind forces and to improve their behaviour under the action of vortex shedding and of atmospheric turbulence (von Karman and buffeting). In any event design attention was turned as well, and in depth, to the crosswise forces on 49

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tubi in HDPE con superficie irruvidita da risalti elicoidali. Gli ancoraggi sull’impalcato sono disposti al passo di 5 m, corrispondente alla lunghezza dei conci. L’alloggiamento degli stralli nell’impalcato avviene attraverso la predisposizione di tubi forma in acciaio, ed il trasferimento del carico avviene in modo quanto mai diretto e semplice, insistendo le piastre di contrasto su una struttura piena, resistente e rigida. Il sistema delle forze principali che equilibrano i carichi verticali attraverso i triangoli d’equilibrio formati dalle trazioni degli stralli, e dalle compressioni delle antenne e delle travi d’impalcato risultano, per i motivi sopra illustrati, tutti contenuti nel medesimo piano. Ed è questa planarità degli sforzi principali che ha reso non necessaria la realizzazione di traversoni di collegamento superiore tra le antenne. Aerodinamica Nella zona del ponte spira con grande frequenza un vento sui 15÷18 nodi al livello del mare, proveniente da Sud Est (circa 180 giorni dalla direzione SE, 100 giorni da Est e 50 da Sud). Le velocità a livello impalcato e in sommità delle torri sono sensibilmente maggiori, così come, naturalmente, le velocità del vento di progetto (pari a 45m/sec). La direzione del vento prevalente corrisponde sostanzialmente all’allineamento longitudinale del ponte e l’assenza di traversoni in sommità delle pile evita un significativo carico orizzontale, ubicato a grande altezza, pressoché permanente. Le sezioni delle antenne sono state conformate con sagoma allungata e profilata per minimizzare le medesime azioni e per migliorarne il comportamento nei confronti dell’azione delle scie di vortici e della turbolenza atmosferica (von Karman e buffeting). In ogni caso l’attenzione progettuale si è rivolta anche, e approfonditamente, alle azioni 50

trasversali all’asse dell’impalcato. Alla forma della sezione sono state attribuite preliminarmente, in fase di progetto, buone caratteristiche aerodinamiche attraverso la scelta di sezioni trapezoidali con sbalzi d’estremità e con raccordi curvilinei. La stabilità aerodinamica è stata quindi verificata, per l’esercizio e per la costruzione, con metodi teorici: analisi di buffeting e di flutter utilizzando le caratteristiche aerodinamiche di sezioni di tipo analogo, indagate in precedenti campagne aerodinamiche descritte in [2]e [3]. I risultati di tali analisi sono stati successivamente verificati effettuando una campagna di prove, sviluppata da LSE- Laboratorio de Sistemas Estruturais presso il tunnel del vento dell’IPT di San Paolo, con test su modelli aeroelastici sezionali, per varie incidenze e gradi di smorzamento. Tali verifiche confermarono le ipotesi di progetto evidenziando peraltro la sensibile influenza delle barriere stradali e dei parapetti sul comportamento aerodinamico in esercizio. Analoghe verifiche, di buffeting e di risposta alle scie di vortici, sono state effettuate per le antenne.

deck section. Design attributed first thing good aerodynamic characteristics to the form of the section, through the choice of trapezoidal sections having wings and curved fairings. Aerodynamic stability was then verified, during service and under construction, using theoretical methods: buffeting and flutter analyses using the aerodynamic characteristics of sections of analogous type, studied in earlier aerodynamic experimentations described in [2] and [3]. The results of these analyses were then verified through a testing campaign, developed by LSE- Laboratorio de Sistemas Estruturais in the IPT wind tunnel in Sao Paolo, with tests on aeroelastic sectional models, for various angles of incidence and degrees of damping. These verifications confirmed the design assumptions, bringing out however the sensible influence of highway barriers and parapets on aerodynamic behaviour during service. Similar verifications, of buffeting and of response to turbulent slipstreams, were carried out for the pylons.

Progetto

The bridge design envisaged a series of static and dynamic analyses and limit-state checks in service, along with the latest checks envisaged by the Brazilian code. The statics analyses called for the step-by-step analysis of the construction phases considering creep phenomena in conformity with CEB-FIP (model Code 90) recommendations. Considered too were the non-linearity of the materials and geometric second-order effects both for analysis of the deck bending behavior and, most especially, for analysis of the pylons’ stability and of the stability during construction of the piers/pylons/ cantilevered-decks as a whole. Considered in particular was the action of wind turbulence and of the variability of wind

Il progetto del ponte ha previsto una serie di analisi statiche e dinamiche e le verifiche agli stati limite di servizio e ultimi previsti dalla normativa brasiliana. Le analisi statiche prevedono l’analisi passopasso delle fasi esecutive considerando i fenomeni viscosi in conformità con le raccomandazioni CEB-FIP (Model Code 90). Sono state altresì considerate le non linearità dei materiali e gli effetti del secondo ordine geometrico sia per l’analisi del comportamento flessionale dell’impalcato che, soprattutto, per l’analisi della stabilità delle antenne e della stabilità in fase di costruzione dell’insieme pile-antenne-impalcati a sbalzo.

Design

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È stata considerata, in particolare, l’azione della turbolenza del vento e della variabilità della sua distribuzione nello spazio, calcolando ad esempio i massimi momenti torcenti sulla pila per effetto dell’eccentricità orizzontale e della componente dinamica dell’azione globale del vento. La zona in cui sorge il ponte è moderatamente sismica e di conseguenza sono state effettuate analisi sismiche che tuttavia, in considerazione degli elevati periodi di oscillazione per i primi modi, hanno evidenziato sollecitazioni di calcolo non superiori a quelle indotte dal vento. Per le verifiche agli stati limite ultimi sono state considerate le caratteristiche di sollecitazione calcolate per i carichi amplificati dei coefficienti ponderali e valutate nell’ambito di una analisi non lineare, tenendo conto quindi delle amplificazioni indotte dalle imperfezioni iniziali di progetto, dalle non linearità geometriche e dalle riduzioni di rigidezza del materiale

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distribution in space. Calculated, for example, were the peak twisting moments on the pier owing to the effects of horizontal eccentricity and of the dynamic components of total wind action. The zone the bridge stands in is moderately seismic and therefore seismic analyses were made, which however, considering the high periods of oscillation for the first modes, brought out calculated stresses no greater than those wind-induced. For the ultimate-limit-state checks, considered were the stress characteristics calculated for the loads, amplified by weighted coefficients and evaluated as part of a non-linear analysis. Account was taken then of the amplifications induced by the initial design imperfections, by geometric non-linearities, and by the reductions in stiffness of the material as stresses increased. During construction the pylons’ geometry was constantly checked to find it within, by adequate margins, the construction tolerances cor-

responding to the starting design imperfections. For the limit-state checks on service, among the other conditions particularly determining and important was the one regarding cracking. This consisted in guaranteeing the limit state of decompression for quasi-permanent load combinations (permanent together with shrinkage, creep, temperature changes and 40% of moving loads) and those of crack formation owing to frequent combination, in which 80% of the moving loads were considered. Furthermore, crack widths were limited for the rare combination with the entire moving load assumed. Construction The construction of piles and foundations followed relatively typical phases: pile construction; constraint on pile heads and the creation of work planes; the building of forms and

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all’aumentare delle sollecitazioni. Durante la costruzione la geometria delle antenne è stata costantemente controllata per risultare, con adeguato margine, all’interno delle tolleranze esecutive corrispondenti alle imperfezioni iniziali di progetto. Per le verifiche agli stati limite di servizio, tra le altre condizioni, particolarmente determinante ed importante risultava quella relativa alla fessurazione, che consisteva nel garantire lo stato limite di decompressione per combinazioni di carico quasi permanente (permanenti insieme a ritiro, creep, variazioni termiche ed il 40% dei carichi mobili) e quelle di formazione delle fessure per la combinazione frequente, in cui si considera l’80% dei carichi mobili. Inoltre sono state limitate le ampiezze delle fessure per la combinazione rara, con l’intero carico mobile. Costruzione La costruzione di pali e fondazioni ha seguito fasi esecutive relativamente tipiche: palificazioni, vincolo delle teste dei pali e realizzazione di piani di lavoro e cassaforme, armature e getti per fasi dei grandi plinti, approntamento di cantieri intermedi sugli estradossi dei plinti stessi. Le pile principali sono state realizzate con cassaforme rampanti, come è pratica consolidata e ben specializzata in Brasile; le antenne con cassaforme rampanti e casseri a ripresa nella parte superiore. Una speciale struttura metallica, successivamente inglobata nel getto, è stata prevista in testa-antenna per garantire la corretta geometria dei tubi forma. I conci d’impalcato in corrispondenza delle pile, i cosiddetti conci di testa-pila, sono stati gettati con l’ausilio di cassaforme e strutture a sbalzo vincolate alla sommità delle pile ed ai traversi. Le mensole utilizzate per il supporto di tali strutture rimangono a testimoniare questa fase esecutiva, tanto delicata quanto, in genere, critica in termini 52

installation of reinforcings; and making phased pours for the great footings, intermediate jobsites being readied on the extradoses of the footings themselves. The main piers were built with slip-forms, a consolidated and quite specialized practice in Brazil. The pylons were built with slip-forms and climbing forms in the higher part. A special metal structure was envisaged in the pylon head, and then left embedded, to ensure the correct geometry of the pipe forms, the pipes that guide the stay-cables anchorages. The deck segments over the piers, the so-called pier-head segments, were poured with the aid of forms and cantilevered structures constrained to the pier tops and to the crosspieces. The brackets used to support these structures remain in witness of this construction phase, one as delicate as, in general, it is critical as regards job scheduling. The typical deck segments were in situ poured using four pairs of self-launching trestlework beams overhead with the lower formwork suspended. The verticality of piers and pylons, and the absence of upper crosspieces, certainly simplified or anyway made less complicated, the construction of piers and pylons of great height and with close construction tolerances. The planarity of the stays-beams-pylons system certainly made it less onerous to position the pipe forms on deck and pylons, and most especially minimized the inevitable errors in geometric positioning. It is in fact believed, and it was one of the main design criteria adopted in the bridge presented here, that where design can simplify the construction processes, an important improvement is achieved in the quality of the end result, in job-safety and in construction economy. The typical deck construction cycle included numerous phases for each segment: - advance and adjustment of the pour equipment; - laying the steel, the sheaths, the anchorages iiC•1/2009

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di programmazione dei lavori. I conci tipici d’impalcato sono stati realizzati con getti in opera utilizzando quattro coppie di tralicci autovaranti superiori con casseratura inferiore sospesa. La verticalità di pile e antenne, e l’assenza di traversi superiori hanno senz’altro semplificato, o comunque reso meno complicata, l’esecuzione di pile e antenne a grande altezza e con strette tolleranze esecutive. La planarità del sistema stralli-travi-antenne ha certamente reso meno onerosa l’attività di posizionamento dei tubi-forma su impalcato e antenne, ed ha soprattutto consentito di minimizzare gli inevitabili errori nella geometria di posizionamento. Si ritiene infatti, ed è stato uno dei principali criteri progettuali adottati nel ponte qui presentato, che ove sia possibile ottenere progettualmente una semplificazione dei processi esecutivi, là si consegue un importante miglioramento nella qualità del risultato finale, nella sicurezza del lavoro e nell’economia della costruzione. Il ciclo costruttivo tipico dell’impalcato comprendeva per ciascun concio numerose fasi: - avanzamento e calibrazione dell’attrezzatura di getto - posa del ferro, delle guaine, degli ancoraggi e dei cavi - posa dei tubi-forma - getti - precompressione longitudinale e trasversale - installazione degli stralli e loro tensionamento. La sequenza e la interazione tra queste fasi, a loro volta differenziate in varie sottofasi, è un elemento chiave per un corretto e rapido avanzamento della costruzione. Attraverso uno studio attento ed una forte interazione col cantiere tali sequenze sono state alquanto affinate consentendo di ottenere il soddisfacente risultato di realizzare, a regime, un concio della superficie di circa 54

120 m2 ogni settimana. Uno studio analitico e dettagliato delle fasi esecutive è stato sviluppato per determinare le posizioni dei casseri e i tiri da applicare agli stralli in tutte le fasi programmate. Questa attività di ingegneria di costruzione, tuttavia, non è stata implementata secondo uno schema rigido e statico, bensì flessibile e dinamico. Infatti la costruzione reale, sempre differente in qualche misura dalla programmazione iniziale, ha naturalmente comportato la richiesta di continui adattamenti in virtù delle inevitabili tolleranze nelle operazioni di cantiere (misure, posizionamenti, applicazioni di forze), delle variazioni delle condizioni ambientali (vento e temperatura) e dei miglioramenti ai cicli produttivi proposti in vari momenti dal cantiere. La costruzione dell’impalcato è dunque avvenuta su quattro fronti paralleli, raggiungendo prima le pile d’ormeggio e realizzando la chiusura dei giunti laterali, e successivamente realizzando la chiusura in chiave, giuntando i due grandi sbalzi lunghi 105 m ciascuno. La chiusura in chiave è stata preceduta dall’applicazione, mediante martinetti disposti nel giunto centrale, di una coazione longitudinale, atta a contrastare le sollecitazioni e le deformazioni a lungo termine indotte da ritiro e viscosità. Tale coazione, seppur mitigata sensibilmente dalla viscosità del calcestruzzo, risulta comunque positiva ed efficace per ridurre lo stato tensionale a lungo termine, mantenere uno stato di compressione per carichi frequenti in tutti gli elementi strutturali, ed ottenere a tempo infinito la geometria di progetto e la configurazione verticale delle antenne. Monitoraggio Durante la costruzione del ponte è stato allestito un sistema di monitoraggio strutturale,

and the cables; - laying the pipe forms; - the pours; - longitudinal and crosswise prestressing; - installation of the stays and their tensioning. The sequencing and interaction of these phases, in their turn differentiated in sundry subphases, are key elements to the fast and correct progress of construction. Careful study and a strong interaction with the jobsite somewhat refined these sequences, enabling the satisfying result of creating, at full operation, a segment having a surface of 120 square metres every week. A detailed analytic study of the construction phases was made to determine the form positions and the tensions to be applied to the stays in all scheduled phases. This construction engineering was not, however, implemented by a rigid and static scheme, but rather by a flexible and dynamic one. In fact the real construction job, always different to some degree from what is at first scheduled, naturally involved the need for continuous adaptations by virtue of the inevitable tolerances in the yard operations: measurements, positioning and applications of forces, and by virtue of the variations of the environmental conditions (wind and temperature) and of improvements to the production cycles proposed at various times by the jobsite. Deck construction therefore went ahead on four parallel fronts, reaching first the mooring piers and effecting the closure of the side joints, and then effecting the closure at the crown, joining the two great cantilevers, each 105 m long. Closure at the crown was preceded by the application, by jacks placed in the central joint, of a longitudinal force, able to counter the long-term stresses and strains induced by creep and shrinkage. This force, even though sensibly mitigated by the concrete creep, was anyway efficacious in reducing the long-term stress state, in maintaining a compression state for frequent loads iiC•1/2009

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Bibliografia/References [1] DMA - Il ponte sul rio Sergipe ad Aracajù – sito www.demiranda.it; Le Strade- giugno 2008. [2] M. de Miranda - Il ponte strallato sul rio Guamà – Strade e Autostrade – n. 4, 2005. [3] M. de Miranda - A new cable stayed bridge over the Guamà river in Brazil – Structural Engineering Journal – n. 3, 2003.

in all the structural elements, and in obtaining at infinite time the design geometry and the vertical configuration of the pylons. Monitoring During bridge construction a structural monitoring system was set up, developed and run by LSE of Sao Paolo, which reported in real time the parameters necessary for keeping control of the structure’s geometry and statics. Measured, analyzed and made available in real time were the data on: environmental conditions: temperature, wind speed and direction; on geometry: deck and pylon displacements; and on actions in structural elements: forces in the stays, measured with load cells placed in each anchorage. This monitoring system turned out extremely useful during the entire construction job to the fast progress of construction and a real control of the stress conditions and of the geometry, both of which in continual and rapid evolution. It is still installed and is used for periodiiiC•1/2009

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sviluppato e gestito dalla LSE di San Paolo, che ha consentito di conoscere in tempo reale i parametri necessari per tenere sotto controllo la geometria e la statica della struttura durante le fasi esecutive. Venivano rilevati in tempo reale, analizzati e resi disponibili, i dati relativi alle condizioni ambientali: temperature, velocità e direzione del vento; alla geometria: spostamenti di impalcato e antenna; alle azioni negli elementi strutturali: forze negli stralli, misurate con celle di carico disposte in ciascun ancoraggio. Questo sistema di monitoraggio si è rivelato estremamente utile durante tutta l’esecuzione del ponte per consentire il rapido progresso della costruzione ed un reale controllo delle condizioni tensionali e della geometria, entrambi in continua e rapida evoluzione. Esso è attualmente ancora installato e viene utilizzato per il controllo periodico dei vari parametri nell’ambito di un protocollo di ispezio56

ne e manutenzione programmata. Conclusioni Il nuovo ponte sul rio Potengi nasce da un progetto che ha voluto integrare e coniugare elementi di essenzialità formale con l’obiettivo di realizzare una struttura integrale, durevole, efficiente staticamente e di ridotta manutenzione. La costruzione, malgrado le condizioni ambientali non siano state facili soprattutto alle maggiori altezze, si è sviluppata in maniera fluida e soddisfacente, realizzando una infrastruttura di grande utilità per lo sviluppo del litorale nord e della comunità di Natal. Il ponte ed i viadotti d’accesso, che presentano complessivamente una superficie totale di 39200 m2, sono stati completati nell’agosto 2007 con una durata dei lavori di circa 30 mesi.

cally monitoring the various parameters as part of an inspection and scheduled-maintenance protocol. Conclusions The new bridge over the Rio Potengi springs from a design intended to integrate and wed elements of formal essentiality with the objective of creating an integral, durable, statically-efficient structure, one requiring low maintenance. Even though environmental conditions were not easy, especially at the greatest heights, construction went ahead fluidly and satisfactorily, creating an infrastructure of great usefulness for the development of the north littoral and of the community of Natal. The bridge and the approach viaducts, whose area on the whole is 39,200 square metres, were completed in August 2007, the job lasting thirty months. iiC•1/2009

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Summary he new bridge over the Potengi river, built nearby its outlet in the Atlantic ocean, will permit the expansion of the urban area towards the north littoral, with positive fallout for the entire area’s economic development. The port on the interior of the mouth required a roadway elevation (58 m) compatible with the transit of large ships. The new bridge includes two access viaducts and a central cable-stayed bridge; the crossing’s total length is 1782 m. The access viaducts run on 43.20 m spans, while the main (cable-stayed) bridge has a 212 m centre span and two 94 m approach spans, for a total length of 400 m. The structure is entirely of prestressed concrete and features a high slenderness. The deck is formed of a pair of side beams, a series of crosspieces and a concrete slab. The piers and pylons, of about the same height, are connected at deck level by a huge crosspiece that grants stiffness to the transverse system by configuring a characteristic H shape. The piers are reinforced-concrete box-section shafts. The pylons are hollow, prismatic and relatively slender in the crosswise plane. The longitudinal beams are prestressed by a system of longitudinal cables envisaged for the construction phases and by a series of longitudinal cables installed in part before and in part after closure at the crown. The stays are pairs of parallel strands 15.7 mm in diameter, galvanized, polyvinyl-chlorided and protected on the outside by HDPE pipes. The anchorages on the deck are spaced 5 m apart, corresponding to the bridge segments’ length. The main piers were built using climbing forms, just as a large part of the pylons were. The deck segments over the piers, the so-called pierhead segments, were poured in forms using cantilevered structures constrained at the tops of the piers and at the crosspieces. The typical deck segments were poured in situ using four pairs of overhead self-launching trestlework beams with the formwork suspended from them.

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Résumé n nouveau pont sur le fleuve Potengi, réalisé tout près de son embouchure sur l’Océan Atlantique, permettra l’expansion de l’aire urbaine vers le littoral au nord, avec des retombées positives pour le développement économique de toute l’aire en question. La présence du port à l’intérieur de l’embouchure a imposé une hauteur de la chaussée de 58 m, qui est compatible avec le transit des grandes embarcations. Le nouveau pont comprend deux viaducs d’accès et un pont haubané central, le développement total de la traversée étant de 1782 m. Les viaducs d’accès se développent sur des ouvertures de 43,20 m, alors que le pont haubané principal présente une ouverture centrale de 212 m et deux travées latérales de 94 m, pour une longueur totale de 400 m. La structure qui a été entièrement réalisée en béton précontraint, est caractérisée par une minceur élevée. Le plancher est formé d’un couple de poutres latérales , une série de traverses et une semelle

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en béton. Les piles et les antennes, situées environ à la même hauteur, sont liées – à la hauteur du plancher – par une grande traverse qui rend rigide le système transversal, tout en configurant un gabarit caractéristique en H. Les piles sont constituées de fûts en caisson en béton armé. Les antennes sont creuses, prismatiques, relativement minces sur le plan transversal. Les poutres longitudinales sont précontraintes par un système de câbles longitudinaux, prévus pour les phases d’exécution et par une série de câbles longitudinaux installés en partie avant et en partie après la fermeture en clé. Les haubans sont constitués par l’enclenchement de brins parallèles avec un diamètre de 15,7 mm, zingués, engainés et protégés à l’extérieur par des tuyaux en HDPE; les ancrages sur le plancher sont disposés à un intervalle de 5 m correspondant à la longueur des vousseaux. Les piles principales ont été réalisées avec des coffrages rampants de même qu’ une grande partie des antennes. Les vousseaux du plancher en correspondance des piles, ce qu’on appelle les vousseaux de tête-pile, ont été coulés avec l’aide de coffrages et de structures en saillie, engagées au sommet des piles et des traverses. Les vousseaux typiques du plancher ont été réalisés par des coulées en place, en utilisant quatre couples de treillis supérieurs de auto-lancement avec coffrage inférieur suspendu.

Zusammenfassung ine neue Brücke über den Potengi, in der Nähe der Flussmündung in den Atlantischen Ozean, ermöglicht den Ausbau des Stadtgebiets zur nördlichen Küste hin, mit positiven Auswirkungen auf die wirtschaftliche Entwicklung der gesamten Gegend. Da der Hafen direkt an der Flussmündung liegt, musste die Brückenfahrbahn (58 m) so hoch angelegt sein, dass auch die Durchfahrt großer Schiffe gewährleistet ist. Das neue Brückenprojekt, das sich auf einer Gesamtlänge von 1782 m erstreckt, umfasst zwei Zufahrtsstrassen und eine Schrägseilbrücke in der Mitte. Die Zufahrtswege verlaufen auf Lichtweiten von 43,20 m, während die Schrägseilbrücke einer Gesamtlänge von 400 m aus einer Lichtweite von 212 m in der Mitte und zwei seitlichen Brückenfeldern von jeweils 94 m besteht. Die gesamte Struktur wurde aus Spannbeton erstellt und zeichnet sich durch ihre extrem schlanke Linienführung aus. Die Fahrbahnplatte besteht aus einem Paar Seitenträgern, einer Reihe von Querträgern und einer Plattendecke aus Beton. Die Pfeiler und Gerüsthauptträger, die sich ungefähr auf gleicher Höhe befinden sind auf Höhe der Fahrbahnplatte über einen großen Querträger verbunden, der das Quersystem versteift und ihm seine charakteristische H-Form verleiht. Die Brückenpfeiler bestehen aus kastenförmigen Schäften aus Stahlbeton. Die Gerüsthauptträger sind hohl, prismatisch und in der Querebene relativ schlank. Die Längsträger sind vorgespannt, und zwar über ein System von für die Ausführungsphasen vorgesehenen Längskabeln und eine Reihe von Längskabeln, die teils vor und teils nach Anbringen des Schlusssteins installiert wurden. Die Schrägseile bestehen aus verknüpften

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parallelen Stahllitzen eines Durchmessers von 15,7 mm, die verzinkt, PVC verkleidet und durch HDPE Schläuche nach außen hin geschützt sind; die Verankerungen auf der Fahrbahnplatte sind in 5 m Abständen angelegt, was der Länge der Bogensegmente entspricht. Die Hauptpfeiler bestehen aus aufsteigenden Verschalungen, wie ein Grossteil der Gerüsthauptträger. Die Bogensegmente der Fahrbahnplatte auf Höhe der Hauptpfeiler, die so genannten Bogensegmente der Kopfpfeiler, wurden mit Hilfe von Schalungen und Vorbaustrukturen betoniert, die an den Enden der Pfeiler und Querträger befestigt sind. Die typischen Fahrplattenpfeiler wurden mit vier Paar Vorschiebe-Trägerrosten mit eingehängter unterer Schalung betoniert.

Resumen n nuevo puente en el río Potengi, realizado cerca de su desembocadura en el Océano Atlántico, permitirá ampliar el área urbana hacia el litoral Norte, con consecuencias positivas para el desarrollo económico de toda el área. La presencia del puerto dentro de la desembocadura ha obligado a tener una altura de la calzada (58 m) compatible con el tránsito de grandes embarcaciones. El nuevo puente está formado por dos viaductos de acceso y un puente atirantado central; el desarrollo total del atravesamiento es de 1782 m. Los viaductos de acceso se desarrollan en luces de 43,20 m, mientras el puente atirantado principal tiene una luz central de 212 m y dos ojos laterales de 94 m, con una longitud total de 400 m. La estructura se ha realizado totalmente en hormigón armado pretensado y es muy esbelta. El tablero está formado por una pareja de vigas laterales, una serie de travesaños y una losa de hormigón. Los pilares y las antenas, que tienen aproximadamente la misma altura, están conectados al nivel del tablero por un gran travesaño que refuerza el sistema transversal dándole la característica forma de H. Los pilares están formados por piezas prefabricadas huecas de hormigón armado. Las antenas son huecas, prismáticas, bastante esbeltas en el plano transversal. Las vigas longitudinales están pretensadas por un sistema de cables longitudinales previstos para las fases ejecutivas y por una serie de cables longitudinales instalados en parte antes y en parte después del cierre en la clave. Los cables están formados por el acoplamiento de cordones paralelos con diámetro de 15,7 mm, galvanizados, envainados y protegidos por el exterior por tubos de HDPE; los anclajes en el tablero están colocados a una distancia de 5 m, correspondiente a la longitud de los tramos. Los pilares principales se han realizado con encofrados trepantes, así como la mayor parte de las antenas. Los tramos del tablero en correspondencia de los pilares se han colado con la ayuda de encofrados y estructuras de voladizo vinculadas encima de las pilas y de los travesaños. Los tramos típicos del tablero se han colado en obra utilizando cuatro parejas de vigas reticulares autoportantes superiores con encofrados inferiores suspendidos.

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