DCDP_09_03_01

cimentaciones, pilares y estribos

En este capítulo se desarrollan sistemas de resortes simples y múltiples de un grado de libertad, cubriendo los sistemas más usados en la construcción y retrofit sísmico de edificios, siguiendo el documento FEMA P440A “Effects of Strength and Stiffness Degradation on Seismic Response”. Se realiza una revisión del comportamiento histerético de componentes estructurales, se estudian los conceptos de Contorno Máximo de la Capacidad Fuerza-Desplazamiento y Envolvente Cíclica y cómo intervienen para predecir el colapso de una estructura. También se realiza una introducción al Método del Análisis Dinámico incremental (IDA), cómo interpretar las curvas IDA y cómo éstas se pueden conjugar con el Contorno Máximo de la Capacidad Fuerza-Desplazamiento.

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3.

Cimentaciones, Pilares y Estribos

3.1.

Introducción

Cimentaciones, Pilares y Estribos

Probablemente el área de mayor reto para el ingeniero civil es aquel del diseño y construcción de la cimentación, presentado los peligros potenciales más grandes sino también produciendo los ahorros más significantes a los conceptos de diseño más adecuados o métodos de construcción refinados. La primera aplicación industrial del concreto pretensado fue relacionada a resolver un problema insuperable de recalce de cimentación. El terminal transatlántico construido en Le Havre Harbor en Francia en el English Channel fue abierto a operación en 1934 para recibir a la nueva generación de barcos rápidos de pasajeros entre Europa y América. La cimentación no adecuada de la bahía de la parte posterior de la nueva construcción causó asentamientos constantes inmediatos a una velocidad de ½ plg (12.7 mm) por mes sin límite previsible, Excepto la ruina total de la instalación, Figura 3-1. Eugene Freyssinet propuso un único sistema de recalce, el cual fue inmediatamente aceptado e implementado, por lo que pilotes de concreto pretensado fueron fabricados en el sótano del edificio existente en incrementos sucesivos e hincados progresivamente por jacks hidráulicos para alcanzar un estrato de suelo bajo estable, que se encontró a una profundidad no mayor que 100 pies (30.5 m), Figura 3-2. Este ejemplo debe ciertamente hacerse una precaución contra el excesivo optimismo en el diseño de la cimentación; al mismo tiempo ejemplifica el potencial remarcable del concreto pretensado en resolver problemas inusuales. En los puentes de concreto, a menudo grandes ahorros pueden esperarse de la optimización de la cimentación y diseño del pilar que de la superestructura misma. Este capítulo abordará con ciertos aspectos específicos de los pilares, estribos, y cimentaciones para los puentes construidos en voladizos balanceados. Conceptos similares pueden extenderse para cubrir otros métodos constructivos (tramo-por-tramo, lanzamiento incremental, y así sucesivamente).

Figura 3-1: Terminal transatlántico Le Havre, sección típica.

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Figura 3-2: Terminal transatlántico Le Havre: (a) sección vertical y planta de la viga principal de la cimentación compuesta.

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Los pilares con formas muy diferentes han sido usados en conjunto con la construcción por voladizos. Por ejemplo, los pilares simples, pilares dobles, y pilares resistentes a momentos han sido usados. El método de construcción segmental por voladizos tiene una influencia importante y de apoyo en el concepto de diseño de la estructura. La resistencia y estabilidad elástica de los pilares durante la construcción requiere de investigación cuidadosa. Los pilares temporales o el fortalecimiento temporal de los pilares permanentes o una combinación de ambos han sido usados. Sin embargo, la elección de pilares que tienen adecuada estabilidad sin ayudas temporales es altamente deseable. Los pilares de una sección cajón, o de patas gemelas flexibles, ya sean verticales o inclinadas, son igualmente satisfactorios. El uso de completa continuidad en la superestructura implica que los pasos apropiados hayan sido tomados para permitir los cambios de volumen (contracción, flujo plástico y expansión termal) en los soportes. Los puentes tales como el Choysi-Le Roy, Courbevoie, y el Chillon Viaduct muestran cómo el uso de pilares con patas flexibles hace posible alcanzar la total continuidad del tablero y construir la acción pórtico entre el tablero y los pilares sin menoscabar la expansión libre de la estructura. Las piernas convergentes del pilar usadas en el Choysi-Le-Roy reducen e incluso cancelan la cantidad de flexión transferida a las cimentaciones del pilar. Las patas paralelas verticales tales como aquellas en las estructuras del Courbevoie y del Chillon pueden usarse en estructura multi-tramos debido a que su flexibilidad adicional acomoda los desplazamientos grandes horizontales. Para estructuras grandes, los asientos de apoyo con un número variable de pads elastoméricos laminados pueden usarse para proporcionar la flexibilidad horizontal deseada. Si en la estructura acabada los pilares esbeltos simples son diseñados solamente para transferir las cargas del tablero a la cimentación (incluyendo las cargas horizontales), los pilares pueden ser incapaces de resistir los momentos asimétricos debido a la construcción por voladizos (esto es, con un desbalance de un segmento y la carga del equipo). De esta forma, puntales temporales son requeridos, a menudo a un costo considerable. En algunos casos, la estabilidad del voladizo en construcción ha sido proporcionada por un gantry de lanzamiento usado para colocar los segmentos. Con pilares dobles, dos patas flexibles (ya sean inclinadas o verticales) conforman la estructura del pilar, el cual generalmente es soportado sobre una cimentación simple. La estabilidad durante la construcción es excelente y requiere de equipo pequeño temporal, excepto para algún arriostre entre muros esbeltos para prevenir la inestabilidad elástica. Los pilares resistentes a momento son diseñados para resistir los momentos de desbalance durante la construcción proporcionando un pretensado vertical temporal entre el tablero y el cabezal del pilar, de esta manera produciendo una conexión rígida. Los jacks planos son usualmente colocados entre la parte superior del pilar y el sofito del segmento pilar para permitir la sustitución de los asientos de apoyo temporales por los pads de neopreno permanentes. Cuando la relación entre las longitudes del tramo y la altura del pilar lo permiten, la conexión rígida y la acción pórtico correspondiente pueden mantenerse permanentemente entre la superestructura y los pilares. Los pilares no necesariamente tienen que ser secciones transversales sólidas masivas; una sección tipo cajón, Figura 3-3, puede ser más efectiva y más económica. En los Estados Unidos se sintió que un pilar sólido fue más económico. Sin embargo, para los pilares altos la economía del vaceado del pilar deberá evaluarse contra el costo de la carga muerta adicional soportada por el pilar excavado y transferido a la cimentación. Puede ser deseable prefabricar el

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pilar como segmentos tubulares que son pretensionados verticalmente uno con el otro así como para la cimentación; este concepto fue usado para el Linn Cove Viaduct en North Caroline y en las estructuras del Vail Pass en Colorado. En ciertos casos la sección tubular puede ser reemplazada por una sección I, Figura 3-4. Sin embargo, la resistencia baja a torsión de esta sección impone ciertas precauciones para limitar la deformación de la superestructura en voladizo durante la construcción, in particular con respecto al efecto de las fuerzas de viento.

Figura 3-3: Code Bridge, pilar tipo cajón. Para el caso de una estructura continua sobre pilares cortos rígidos, los cambios volumétricos del concreto (contracción, flujo plástico, y expansión termal) componen el efecto redundante del pretensado longitudinal para producir, en virtud de la rigidez de los pilares, las fuerzas de flexión que deben ser transmitidas a las cimentaciones, así condenando el uso de una conexión rígida entre la superestructura y su soporte. Esta desventaja entonces requiere la introducción de una superestructura continua descansando sobre un número de soportes que permitan el movimiento longitudinal de la superestructura (pads de neopreno, teflón, y similares). Sin embargo, es necesario asegurar la estabilidad de la superestructura durante la construcción en voladizos. Esto puede lograrse como un estado temprano usando los puntales temporales en la proximidad del pilar o proporcionando fijeza temporal en el pilar. Otra solución es el uso de pilares con patas flexibles gemelas esbeltas. La transmisión de las cargas horizontales en la dirección del eje longitudinal del puente es acomodado por la flexibilidad de las patas. Este tipo de pilares ofrece tres desventajas: 1.

Fijeza eficiente de la superestructura hacia los pilares con respecto a las cargas verticales por la

acción de los soportes separados.

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2.

Cimentaciones, Pilares y Estribos

Flexibilidad grande en el plano horizontal (relativo a los desplazamientos paralelos al eje longitudinal

de la superestructura), permitiendo la resolución del problema de expansión planteado por la estructura continua. 3.

Estabilidad de la superestructura durante la construcción por un arriostre simple temporal.

Figura 3-4: Pyle Bridge, pilar de sección-I. En la estructura final, la flexibilidad de las patas es suficiente para acomodar las fuerzas de arriostramiento longitudinal. Cuando la geometría de la estructura lo permite, es más económico inclinar los muros con la finalidad de reducir el momento flector transmitido a la cimentación. Si las patas están articuladas en la superestructura y si los ejes de las dos patas convergen cerca del nivel de la cimentación, el momento flector es ya sea cancelado o minimizado y la distribución en el suelo de soporte es esencialmente uniforme, como para una reacción vertical, Figura 3-5. Este tipo de estructura es similar a un pórtico o a un arco. El empuje producido por el efecto de una carga horizontal paralela al eje longitudinal del puente es traducido en una fuerza de tensión sobre una pata, el cual entonces actúa como una viga tirante, y una fuerza de compresión en la otra pata, que entonces actúa como un puntal. Por esta razón es a menudo necesario pretensar las patas para acomodar la fuerza de tensión. Cuando las patas son verticales, no se benefician apreciablemente de la acción pórtico o arco, y la estabilidad es esencialmente contenida en su resistencia a flexión. Para el caso cuando las patas están articuladas en

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ambos extremos, ninguna resistencia es ofrecida y es necesario rigidizar un pilar para proporcionar un punto fijo en la estructura.

Figura 3-5: Pilares con paredes o muros flexibles. Debido a la flexibilidad del pilar un análisis cuidadoso es requerido para asegurar la estabilidad elástica de la estructura. Las patas que soportan la estructura son en efecto muy esbeltas, y su resistencia al pandeo debe ser cuidadosamente examinado. Este tipo de estructura del pilar se examinará en mayor detalle en la sección que sigue. Otra familia de pilares que se prestan a la construcción por voladizos son aquellos pilares resistentes a momentos con una doble fila de asientos de apoyo de neopreno entre la parte superior del pilar y la superestructura, que se benefician de la rigidez del pilar durante la construcción o en la estructura finalizada mientras se permite la libre expansión del tablero continuo, Figura 3-6. La elección apropiada de las dimensiones para los asientos de apoyo de neopreno permitirá controlar la cantidad de flexión transferida hacia la cimentación; de hecho, los pilares rígidos con doble asiento de apoyo de neopreno se comportan de la misma manera como los pilares con patas flexibles gemelas. Se ve, entonces, que los pilares y cimentaciones para los puentes de concreto en voladizo caerán en una de las siguientes cuatro categorías: 1.

Pilares resistentes a momento ya sean rígidos o articulados a la superestructura.

2.

Pilares resistentes a momento con doble asiento de neopreno.

3.

Pilares con patas flexibles gemelas.

4.

Pilares flexibles convencionales correctamente fortalecidos durante la construcción para resistir las

condiciones de cargas de desbalance. Luego de revisar las cargas aplicadas a los pilares y considerando algunas sugerencias pertinentes a la estética de los pilares y estribos para los puentes segmentales de concreto, nos ocuparemos de forma separada con

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cada uno de los cuatro tipos de pilares. El capítulo concluye con una revisión de los varios tipos de estribos y el efecto del asentamiento desigual del pilar sobre el esfuerzo en la superestructura.

Figura 3-6: Pilares con asientos de apoyo gemelos de neopreno.

3.2.

Cargas Aplicadas a los Pilares Todas las cargas deben ser cuidadosamente consideradas en el diseño de los pilares y sus cimentaciones,

tanto en la estructura finalizada como durante su construcción.

3.2.1.

Cargas Aplicadas a la Estructura Finalizada Además de los varios arreglos de carga tomados en cuenta para las estructuras convencionales y usadas en

combinación como se establecen en las especificaciones de la AASHTO, por ejemplo, es necesario incluir algunos aspectos particulares de diseño a la construcción de voladizos segmentales como sigue: 1.

Cuando se realiza una acción pórtico entre la superestructura y los pilares, la transferencia

apropiada de momentos hacia los pilares debe ser considerada, particularmente bajo cargas vivas no simétricas. Los pilares son de esta forma una parte integral del sistema estructural y su flexibilidad debe ser primero evaluada y entonces incorporada en el sistema estructural total. La Figura 3-7 muestra los parámetros usuales usados para definir la flexibilidad de un pilar como la relación entre las cargas aplicadas (M, Q, y N) y los componentes correspondientes de la deformación en el mismo punto (

). Los cuatro

coeficientes de flexibilidad A, B, C, y K deben incluir todos los componentes del pilar y su cimentación: suelo, pilotes (si se usan), zapatas, excavación del pilar (o muros), asientos de apoyo de neopreno (si son usados). Las cargas y deformaciones se toman al nivel del eje neutro de la viga principal del tablero. El esquema de construcción del tablero generalmente impone cargas especiales a la subestructura. Los pilares adyacentes a una junta de expansión localizada en el punto de contraflexión (ver discusión en el Capítulo anterior) están sometidos a momento flector apreciable debido tanto a la relajación de la rótula

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luego de la construcción del voladizo como a la carga viva colocada en cualquier lado de la rótula. Las cargas aplicadas a la estructura por el equipo de construcción resultan también en momento a transferir en los pilares conectados a la superestructura. Dos casos típicos a menudo encontrados son: a.

En la construcción segmental prefabricada con segmentos colocados con un gantry de

lanzamiento, las reacciones de las patas del gantry son aplicadas al esquema estático temporal y liberadas en otro esquema estático (luego que la continuidad entre dos brazos adyacentes de voladizos se realice). b.

En la construcción por voladizos vaceado en sitio, el peso de los transportadores se aplica a los

brazos del voladizo libre durante la construcción pero se remueven de la estructura luego de alcanzar la continuidad. En tramos largos el efecto sobre el tablero es generalmente beneficioso, pero momentos importantes pueden ser simultáneamente inducidos. 2.

Los cambios de volumen (contracción y variaciones termales) y el acortamiento a largo plazo de los

materiales (flujo plástico del concreto y relajación del acero) inducen tanto momentos como cargas horizontales en los pilares, los cuales deben incluirse en el diseño.

Figura 3-7: componentes básicos de la flexibilidad del pilar.

3.2.2.

Cargas Aplicadas Durante la Construcción La construcción por voladizos balanceados impone en los pilares una configuración de carga que es

simétrica globalmente. Las condiciones no balanceadas aparecen, sin embargo, como un resultado de las etapas de construcción intermedias (cargas normales debido al trasportador o a un segmento fuera de balance), la aplicación de

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cargas aleatorias (diferencia entre cargas muertas reales y calculadas o ráfagas de viento), o condiciones accidentales (tales como la caída de un transportador).

3.2.2.1.

Cargas Normales La condición más crítica aparece por un segmento fuera de balance en el extremo fuera de borda del brazo

del voladizo. Incluso en el caso de la construcción con transportadores simétricos permitiendo vaceados simultáneos de ambos segmentos correspondientes, la suposición que el peso total del segmento fuera de balance es algo seguro, ya que ninguna garantía puede darse que el hormigonado del concreto procederá simultáneamente en cualquier extremo del voladizo. Si el equipo de construcción está diseñado para instalarse sobre el tablero, Figura 3-8, éste debe ser tomado en cuenta para el diseño del pilar. Por ejemplo, una grúa torre se usa a menudo a un lado del voladizo.

Figura 3-8: Pilares con asientos de apoyo gemelos de neopreno.

3.2.2.2.

Cargas Aleatorias Las cargas aleatorias son esencialmente las que producen diferencia geométrica sistemática, aunque dentro

de tolerancias aceptables. Con el personal y supervisión apropiada, es razonable asumir tal diferencia en peso en

.

Esto corresponde a una variación del espesor de la losa superior de 3/8 plg (9.5 mm) para un ancho de cajón de 40 pies (

(12 m) con un área de sección transversal de

). Sin embargo, es muy poco probable que el peso

máximo disminuya en un brazo del voladizo y que aparezca simultáneamente con el aumento del peso máximo en el otro. Es por lo tanto razonable limitar el momento transferido al pilar a 2% del momento máximo del voladizo del tablero debido al peso de la viga principal. Otras cargas aleatorias relacionadas a la construcción son producidas por el equipo pequeño, camiones, almacenamiento sobre el tablero de los materiales tales como tendones de posttensionado, y así sucesivamente. Una carga uniforme equivalente de 5 psf (24.4 kg/m 2), junto con una carga concentrada móvil de 20 k (9 mt), deberá ser una provisión segura para cubrir estas cargas aleatorias. Tomando como ejemplo el Houston Ship Channel Bridge, que fue considerado en la Sección 2.17, el efecto de estas tres cargas aleatorias sería: 

Diferencia en el peso muerto:



Carga uniforme aleatoria: (



Carga concentrada aleatoria:



Suma total de las tres cargas: 59000 kips.

. )⁄

⁄

. .

El momento total deberá compararse al efecto de un segmento fuera de balance en el extremo lejano de un voladizo:

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Una última fuente de carga aleatoria es proporcionada por las garrafas de viento que aplican una presión de levantamiento o succión del intradós de la viga principal tipo cajón durante la construcción. Para tramos largos y sitios de construcción expuestos a huracanes, es deseable realizar pruebas aerodinámicas. Para un ángulo incidente de 10º sobre la horizontal, la presión hacia arriba sería 5 psf (0.2394 MPa) durante la construcción. Este valor puede sustancialmente incrementarse en sitios expuestos. Para la construcción del Gennevilliers Bridge, una presión máxima de 9 psf (0.4309 MPa) fue registrada en las pruebas de túnel de viento.

3.2.2.3.

Cargas Accidentales Estas son el resultado de un incidente de construcción o de falla humana, causando ya sea la caída de un

transportador en la construcción vaceado en sitio o del equipo de elevación en el caso de la construcción prefabricada. Tales cargas deberán ser multiplicadas por un factor de 2, representando el coeficiente para el caso de carga inmediata. Nunca se previó considerar la caída de un segmento vaceado en sitio y del transportador luego del vaceado, ni la caída de un segmento prefabricado inmediatamente luego de su colocación en la estructura. Un registro muy grande de la seguridad en tales métodos de construcción justifica aquel enfoque. Sin embargo, en el caso donde la consecuencia de tal mayor accidente sería excepcionalmente desastroso (donde, por ejemplo, si el trabajo toma lugar sobre una carretera o una vía de ferrocarril en operación), disposiciones especiales deberán incorporarse al diseño y en los procedimientos de construcción para duplicar todas las características de seguridad en cada etapa de erección.

3.3.

Sugerencias sobre la Estética de los Pilares y Estribos El problema de la estética es subjetivo y controversial. Hay, sin embargo, un consenso entre los ingenieros,

propietarios, y usuarios que ciertas estructuras de los puentes son más placenteras que otros. En un momento cuando demasiado énfasis está siendo colocado en la protección de nuestro entorno y naturaleza de las estructuras agresivas hechas por el hombre, puede ser útil revisar algunas reglas basadas en la experiencia que contribuyen a la estética de los puentes de concreto con muy pequeño costo agregado.

3.3.1.

Disposición de la Estructura Hablando en forma general, un intento deberá hacerse para emparejar la estructura al entorno y preservar

el paisaje existente. Evitando terraplenes altos y grandes en los extremos del puente así como muros de retención elevados y grandes que acentúan la intrusión de la nueva estructura. Permitir el número y forma de los pilares para mantener un máximo de transparencia. La optimización del costo de las longitudes de los tramos de la superestructura normalmente ayuda a evitar serios errores estéticos. Es igualmente vergonzoso ver una superestructura de tramo grande y pesada rampante sobre el terreno con una multitud de pilares espaciados cercanamente y elevados soportando un tablero esbelto flotando en el aire. La apariencia real de una estructura generalmente no se transmite por los dibujos, donde a menudo una escala distorsionada es usada. Finalmente, es muy importante mantener la unidad de la apariencia de una estructura atravesando diferentes obstáculos, a pesar de las dificultades prácticas que puede implicar cuando la coordinación del proyecto involucra diferentes propietarios y agencias. Cuando un cruce aéreo, por ejemplo, una autopista y una vía férrea paralela, nada puede ser peor que construir dos estructuras separadas (probablemente de diferentes alturas) conectadas por un terraplén pequeño contenido en ambos extremos por muros aleros de altura variable, Figura 3-9.

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Figura 3-9: Un ejemplo inaceptable de un paso aéreo construido como dos estructuras separadas.

3.3.2.

Estética del Pilar Una ventaja significativa de la construcción segmental es permitir la continuidad del tablero, más que

estructuras simplemente soportadas. Ya no hay una necesidad para pilares pesados que sobresalen del sofito de la superestructura. Los pilares pueden tener líneas elegantes simples y ser diseñadas para recibir directamente las vigas principales tipo cajón de la superestructura. Los pilares tipo cajón de sección prismática pero con curvas curvilíneas mejoran la apariencia sobre la sección convencional rectangular. Los pilares de aproximación del Brotonne Viaduct, Figura 3-10, utilizaron aquel concepto y también los pilares para el Linn Cove Viaduct en North Caroline. Más formas refinadas pueden usarse, tales como los pilares de los ríos del Blois Bridge, Figura 3-11, donde la escultura de las caras fue diseñada para recordar la apariencia de un pilar con muros inclinados gemelos similar al del Juvisy Bridge. Estudios arquitectónicos pueden proseguirse e ir más allá de las necesidades estructurales inmediatas del diseñador. Un ejemplo de interés es proporcionado de los pilares de los ríos del puente de ferrocarril en Clichy cerca de París, Figura 3-12. Una dificultad surge a menudo para los puentes esviados cuando los pilares incluyen múltiples pilares excavados. Una solución satisfactoria fue desarrollada para el París Downstream Belt Bridge, Figura 3-13. A las cuatro columnas de un pilar rivereño se les da la forma de un rombo, con un eje de simetría que coincida con el alineamiento de la superestructura mientras dos de las cuatro caras exactamente alinean las cuatro columnas en la dirección del flujo del río.

Figura 3-10: Pilares para el viaducto de aproximación del Brotonne.

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Figura 3-11: Pilares con formas arquitectónicas para el Blois Bridge.

Figura 3-12: Pilares para el Clichy Railroad Bridge.

Figura 3-13: Pilares para el Clichy Railroad Bridge.

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Figura 3-14: Saint Cloud Bridge: (a) pilares rivereños; (b) vista general. Cuando los pilares se vieron sólo desde una gran distancia, generalmente no vale la pena solicitar por un tratamiento especial de las caras de concreto. La vista juzgará sólo la forma general de la estructura y sus proporcionas enteras. Para puentes urbanos la situación es muy diferente y a menudo justifica algún tratamiento de los pilares. Los pilares de río o rivereños del Saint Cloud Bridge fueron vaceados con un sistema de surcos o bruñas verticales espaciadas de cerca, que mejoraron grandemente sus apariencias a un muy pequeño costo añadido, Figura 3-14.

3.3.3.

Estética de los Estribos En ambos extremos, la estructura tiene que mezclarse con el paisaje existente con un mínimo de

perturbación. Entre los dos sistemas de muros aleros mostrados en la Figura 3-15, la preferencia deberá ser fuertemente por el tipo (a), el cual permite una mayor transición gradual entre las líneas de la superestructura y aquellas del terraplén de aproximación.

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Figura 3-15: Muros aleros y estribos. Cuando las almas ahusadas son usadas en las vigas principales tipo cajón de la superestructura, se ha encontrado que en los muros aleros laterales en los estribos se puede dar la misma inclinación para mejorar la transición entre el tablero y los estribos, Figura 3-16.

3.4.

Pilares Resistentes a Momento y sus Cimentaciones Se cubrirá este tópico describiendo características sobresalientes de varias estructuras características.

3.4.1.

Pilares Principales para el Brotonne Viaduct, Francia Los dos pilares principales pilón para el Brotonne Viaduct descansan sobre columnas cilíndricas de 41 pies

(12.46 m) de diámetro con un espesor máximo de la pared de 9.3 pies (2.83 m) y están 115 pies (35 m) por debajo del nivel del terreno en un estrato de caliza sobre camas aluviales de limo y grava. La reacción máxima al nivel de la zapata es de 19000 toneladas. Las dimensiones típicas de un sistema principal de cimentación se muestran en la Figura 3-17. Se decidió seleccionar el nivel teórico de cimentación a 115 pies (35 m) por debajo del nivel original del terreno, donde la cama de caliza tiene las características mínimas siguientes determinadas a partir de pruebas del suelo

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en laboratorio y en pruebas en sitio: ángulo de fricción interna de 20º, cohesión de (en pruebas triaxiales) de

⁄

⁄

, y un límite de presión

. El sistema de cimentación resistió cargas muy grandes (tanto verticales como

horizontales) junto con importantes momentos de volcamiento.

Figura 3-16: Muros alero inclinados en el estribo extremo (Bordeaux St. Jean Bridge). La columna de la cimentación principal empotrada en el suelo y descansando en el estrato inferior de caliza fue analizado como un cuerpo rígido sometido a las cargas aplicadas (

) mostrados en la Figura 3-18 y

recibiendo desde las reacciones laterales del suelo a lo largo de la excavación y reacciones verticales bajo la base. Los valores de las reacciones laterales y verticales fueron comprobados para los varios estratos del suelo, y el equilibrio se determinó considerando el cuerpo total siendo sometido a un ángulo de rotación

alrededor de un centro instantáneo

de rotación C. Las coordenadas del punto C son las siguientes: 

Verticalmente, representa el nivel donde las reacciones laterales desde el suelo cambian de signo

(cambio desde la presión pasiva directa sobre la cara frontal para neutralizar en la cara posterior). 

Horizontalmente, es la posición del eje neutro para el esfuerzo bajo la base.

La configuración de la carga máxima es representada numéricamente en la Figura 3-18 junto con los diagramas para: 

Las reacciones laterales en la columna.



Momentos flectores a lo largo de la columna.

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

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Esfuerzos de apoyo bajo la base.

Si no hubiera ningún soporte lateral, el momento flector en la base habría sido 370000 pies-kips. De hecho, el momento real es sólo 130000 pies-kips, que explica el por qué el esfuerzo de la fibra exterior no es mayor que ⁄

mientras la presión promedio de apoyo es

⁄

.

El factor de seguridad real para la cimentación contra la falla del suelo está entre 3 y 4, dependiendo de las suposiciones de las características del suelo.

Figura 3-17: Brotonne Viaduct, cimentaciones del pilón. En la medida en que el método de construcción es preocupante, cada columna de la cimentación principal fue construida en el interior seco de una ataguía hecha de un muro de concreto continuo de trinchera lodosa excavada por debajo del estrato de caliza, Figura 3-19. El grouting de la base permitió la deshidratación del sitio luego de la excavación para inspeccionar el material de la cimentación y confirmación de las características del suelo reales por pruebas del suelo in situ. Luego de esta inspección, las ataguías fueron inundadas y un sello tremie fue colocado en la base para prevenir cualquier riesgo de lavado del concreto de la cimentación debido al agua filtrada; la carga de agua fue alrededor de 100 pies (30 m). La zapata de concreto armado fue vaceada en seco sobre el sello y el pozo o excavación de la cimentación fue entonces formada por deslizamiento al interior de la ataguía. La excavación del pilar fue dando la forma de un octágono con lados curvilíneos por razones estéticas. Las dimensiones generales de la excavación de la cimentación de la excavación del pilar permitió una muy natural y directa transferencia de las cargas al nivel del terreno sin la necesidad de una zapata armada pesadamente. La construcción de ambas cimentaciones fue muy satisfactoria. El único incidente fue creado por el hecho que un panel de la ataguía en el pilar sur fue excavado

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fuera de plomo en su extremo inferior. En consecuencia, la continuidad del anillo horizontal para resistir la presión hidrostática no fue realizada en la parte inferior de la ataguía. El grouting del suelo circundante se alcanzó en esta área y un anillo adicional de concreto armado fue vaceado al interior antes de completar la excavación y final deshidratación.

Figura 3-18: Brotonne Viaduct, cargas y reacciones del suelo en la columna de las cimentaciones principales.

Figura 3-19: Brotonne Viaduct, vista de la excavación del pilar.

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Mediciones topográficas regulares en el sitio han mostrado que los asentamientos de ambas cimentaciones de los pilares han sido muy pequeños y están estabilizados.

3.4.2.

Pilares y Cimentaciones para el Sallingsund Bridge, Dinamarca La subestructura y los pilares de esta estructura presentan una metodología de construcción interesante y

de uso de materiales, Figura 3-20. Los pilotes son tubos de acero, que son hormigonados luego del hincado. Son longitudes son alrededor de 98 pies (30 m), el diámetro es de 27 ½ plg (700 mm) y los espesores de las paredes es alrededor de 0.4 plg (10 mm). Cada pilar tiene 24 pilotes. Los primeros pilotes hincados son probados en tensión y compresión antes que los pilotes restantes sean hincados. Cuando el hincado es logrado, el hoyo de la plantilla es llenada con concreto tremie alrededor de la parte superior de los pilotes hasta el borde superior de la plantilla.

Figura 3-20: Sallingsund Bridge,esquema de la subestructura. La plantilla es prefabricada en una planta localizada en el puerto. Se forma como una losa circular circundada por un hoyo anular, en el cual hay agujeros para los pilotes. La plantilla es transportada a las ubicaciones del pilar por una grúa flotante y descargada al resto sobre tres pilotes temporales verticales. El inferior es alrededor de 52.5

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pies (16 m) por debajo del nivel de agua. Para un exacto posicionamiento en su posición sumergida, proporcionada con una torre de alineamiento, la parte superior está siempre sobre el agua, Figura 3-21. El cajón del pilar, formado como un cono truncado de aproximadamente 39.3 pies (12 m) de alto, es prefabricado en tres levantamientos en la planta de prefabricación en el puerto. Primero su parte inferior es vaceada en etapas sobre el agua. Durante los siguientes levantamientos es hundido progresivamente. Ya que luego de la tercera etapa es muy pesado para levantarlo con la grúa flotante, se proporciona con una tapa, y aire comprimido es bombeado en la cavidad. La grúa flotante entonces transporta el cajón del pilar hasta la ubicación del pilar y se descarga al resto en la plantilla. Una estructura anillo de concreto armado se realiza conectando la parte superior de los cajones de los pilotes reforzando y hormigonando el espacio entre ellos, Figura 3-21.

Figura 3-21: Sallingsund Bridge,esquema de las operaciones de la subestructura.

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Figura 3-22: Sallingsund Bridge, vista aérea de la planta de prefabricación y el puerto para la construcción de la subestructura.

Figura 3-23: Sallingsund Bridge, esquema de la construcción del pilar.

Los pilares son vaceados en sitio en levantamientos de 10 pies (3 m) de altura por medio de encofrados trepantes (climbing forms) y son hexagonales, Figura 3-23. El puente finalizado es mostrado en la Figura 3-24.

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Figura 3-24: Sallingsund Bridge, vista del puente.

3.4.3.

Concepto de la Cimentación del Pilar Tipo Campana Prefabricado para el I-205 Columbia River Bridge, Estados Unidos Un sistema algo comparable al usado para el Sallingsund Bridge fue contemplado para los tramos de

aproximación 15 al 26 del I-205 Columbia River Bridge en el estado de Oregon, como se muestra esquemáticamente en las Figuras 3-25 y 3-26. Pilotes H de acero de capacidad de 200 toneladas tuvieron que ser hincadas a través de una plantilla cajón, permitiendo al concreto tremie ser colocado al interior del pozo. Los segmentos prefabricados fueron diseñados para almacenarse uno al otro sobre la plantilla hecha sobre la excavación del pilar y transfiere la carga de la superestructura a los pilotes. Este esquema no fue realmente usado, ya que el contratista decidió un método más convencional de construcción. Sin embargo, el esquema de las cimentaciones del pilar tipo campana prefabricado fue usado en el Richmond-San Rafael Bridge y en el San Mateo-Hayward Bridge, ambos en el San Francisco Bay, y el Columbia River Bridge en Astoria, Oregon.

3.4.4.

Pilares Principales para el Houston Ship Channel Bridge, Estados Unidos Cada pilar del canal principal, Figura 3-27, se realizó como sigue: 

Una excavación rectangular de 161 pies (49 m) del alto con una sección transversal que varía en

dimensiones desde

(

) en la base hasta

(

) en la

parte superior. La sección es un cajón de una sola célula con espesores de pared de 2 pies (0.61 m). 

Una zapata de concreto armado



Un grupo de doscientos y veinticinco pilotes de tubos de acero de 24 plg (0.61) de diámetro que

(

).

tienen espesores de pared de ½ plg (12.7 mm). La superestructura es completamente integral con los dos pilares del canal principal formando un pórtico rígido, tanto durante la construcción como en la estructura finalizada. Los esfuerzos en el concreto y el acero de refuerzo fueron analizados en ambos estados con el enfoque de diseño de cargas de servicio, y la resistencia última fue verificada por el método del factor de carga. El análisis es más agotador, ya que en la estructura completada sólo hubo 19 unidades de cargas combinadas en 37 combinaciones de carga por el diseño de cargas de servicio y en 42 combinaciones de carga para el diseño del factor de carga. El área de la sección transversal de concreto junto con el área de acero de refuerzo correspondiente es como sigue:

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Figura 3-25: I-205 Columbia River Bridge, pilares principales y cimentaciones.

Figura 3-26: I-205 Columbia River Bridge, esquema de la construcción de los pilares tipo campana prefabricados.

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Parte superior:

Parte inferior:

Bajo cargas en servicio el esfuerzo promedio del concreto de la sección transversal es: Parte superior:

⁄

⁄

Parte inferior:

⁄

⁄

En estructuras grandes, tales como el Houston Ship Channel Bridge, el esfuerzo promedio del concreto en los pilares excavados varía generalmente entre 160 y 200

⁄

. El uso de un pilar de ancho variable en la dirección

transversal permite el máximo esfuerzo y la cantidad requerida de acero de refuerzo para incrementar en una tasa lenta con la altura del pilar, mientras un pilar excavado prismático estará sometido a un esfuerzo muy crítico en la base.

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