Efectos de Las Pilas de Puentes

 

 

Definición: Las pilas. Son los apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos. Deben soportar la carga permanentemente y sobrecargas sin asientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales (viento, riadas, etc.).

Cuando un puente cruza un río es inevitable considerarlo, además, como una estructura hidráulica. Entre el río y el puente hay una profunda interacción en la que cada uno trata de influir sobre el otro. En general, en un puente se distingue la superestructura, constituida constituida por el tablero, y la infraestructura formada formada por los pilares, los estribos y la cimentación. Los pilares, conocidos en casi todas partes con el nombre de pilas, aunque no en el Perú, son los apoyos intermedios cuando el puente tiene más de un tramo. Los estribos se ubican en los extremos y empalman con los terraplenes de aproximación al puente. Los cimientos transmiten al lecho fluvial el peso de la estructura.

 

Tipos de Pilas:

Pilas Tipo Muro Macizo

− Las pilas tipo muro macizo se diseñan como si se tratara de columnas para las

fuerzas y momentos que actúan respecto del eje débil y como si se tratara de pilares para las fuerzas y solicitaciones que actúan respecto del eje resistente. Estas pilas pueden tener su extremo superior articulado, empotrado o libre, pero habitualmente están empotradas en la base. Sin embargo, muchas veces las pilas cortas y robustas se articulan en la base para eliminar los elevados momentos que se desarrollarían por causa del empotramiento.

 

Pilas de Doble Muro

− Las pilas de doble muro consisten en dos muros independientes separados en la

dirección del tráfico para proveer apoyo en el intradós continuo de las secciones de superestructura tipo cajón. Estos muros son integrales con la superestructura y también se deben diseñar para los momentos de la superestructura que se desarrollan debido a las sobrecargas y condiciones de montaje. 

 

Pilas Tipo Caballete

colu mnas de secciones transversales − Las pilas tipo caballete consisten en dos o más columnas macizas separadas transversalmente. Estas pilas se diseñan considerando acción de pórtico para las fuerzas que actúan respecto del eje resistente. En general estas pilas están empotradas en la base y no son integrales ni con la superestructura ni con un cabezal en la parte superior. Las columnas pueden estar soportadas por una zapata ensanchada o una zapata sobre pilotes; también pueden ser prolongaciones de los pilotes por encima del nivel del terreno.

 

Pilas de Una Sola Columna

− Las pilas de una sola columna, también conocidas como pilas " T" o pilas "tipo

martillo," generalmente son soportadas en su base por una zapata ensanchada, una zapata sobre pilotes perforados o una zapata sobre pilotes hincados, y puede ser integral con la superestructura o bien proveerle a la estructura un apoyo independiente. Su sección transversal puede tener diferentes formas y la columna puede ser prismática o acampanada ya sea para formar el cabezal o para mejorar la unión con la sección transversal de la superestructura. Este tipo de pila permite evitar las complejidades de los apoyos oblicuos si se construyen de forma que sean integrales con la superestructura, y su apariencia reduce la masividad que muchas veces presentan otros tipos de estructuras

 

Pilas Tubulares

− Sección de núcleo hueco que puede ser de acero, hormigón armado u hormigón

pretensado. Su sección transversal le permite soportar las fuerzas y momentos que actúan sobre los elementos. Debido a su vulnerabilidad frente a las cargas laterales, el espesor de pared de las pilas tubulares deberá ser suficiente para soportar las fuerzas y momentos para todas las situaciones de carga que corresponda. Las pilas de configuración prismática se pueden prefabricar por secciones o pretensar a una vez que ya están e stán instaladas.

 

Los pilares y estribos son elementos extraños dentro de la corriente. El choque del flujo contra ellos produce corrientes vorticosas que causan la erosión local, tal como se aprecia esquemáticamente en las Figuras. Figuras. Más adelante se verá que las características características de la perturbación local producida por un pilar dependen, entre numerosos factores, del transporte de sólidos de la corriente.

 

  El efecto global es una sobreelevación del nivel antes del puente ∆H (llamada también

remanso producido por el puente) que afecta a una cierta longitud aguas arriba y que equivale a la pérdida de carga local de la sucesión de estrechamiento y ensanchamiento. El caudal de agua pasa por igual bajo el puente, pero con un nivel mayor aguas arriba y en segundo lugar con una velocidad media mayor a través del vano. De todos modos si la pérdida de ancho superará al llamado l lamado estrechamiento crítico el nivel en la sección del puente crecería conforme el tirante crítico.

Además del efecto de sobreelevación, el aumento de velocidad (reducción de ancho) produce una erosión del lecho en el área del puente (lo que modifica la superficie libre). Estos dos efectos, sobreelevación sobreelevación y erosión, son llos os inconvenientes de restar ancho al vano respecto a la ocupada por la avenida del proyecto.

 

  La erosión puede entonces ser definida como el aumento de una sección de flujo por la remoción del material del fondo a través de la acción del fluido en movimiento. La erosión total en el cauce de un río está compuesta por tres componentes, que en general son aditivos: 

  La erosión general, debido a los cambios a largo plazo en la elevación del lecho del río (erosión general o sedimentación), la cual podría ocurrir este o no el puente.   La erosión por contracción, es el resultado de la restricción de la vía fluvial o canal ya sea natural o debido a un puente y a sus aproximaciones. ƒ   La erosión local es una consecuencia de la obstrucción del flujo por pilares o estribos, los cuales aceleran el flujo, creando vórtices que remueven el material alrededor de ellos.

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Erosión local en pilas de puentes Físicamente, el fenómeno consiste en que alrededor de la pila se dan velocidades localmente mayores que las medias de la corriente. Estas altas velocidades son producto del sistema de vórtices que se originan por la presencia de la pila y son los responsables de la socavación. Existen dos modalidades distintas de erosión local: 

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Primera modalidad. La corriente no es capaz de poner en movimiento el material del lecho del río, pero los vórtices pueden llevar a cabo la socavación (agua limpia). La erosión local comienza con una velocidad de aproximadamente la mitad de la velocidad umbral para el lecho en general.   Segunda modalidad. Durante las crecidas de un río, cuando existe un transporte general de sedimentos en el lecho al mismo tiempo que la erosión local (lecho vivo).  

La naturaleza del equilibrio del foso es e s distinta en uno y otro caso; cuando se tiene tien e una corriente de agua limpia el equilibrio se manifiesta cuando y no se erosiona más el foso. En cambio cuando existe transporte de sedimentos en la corriente, corriente , es decir lecho vivo, el equilibrio se alcanza cuando el flujo de sedimento entrante es igual al saliente. Curiosamente el equilibrio en el foso, para condiciones permanentes en el tiempo, es es aproximadamente igual en ambos casos (ver figura). Por otra parte, la profundidad máxima del foso parece formarse si la corriente es tal que el fondo se encuentra en el límite entre el estado de reposo (aguas claras) y el de movimiento general del lecho (lecho vivo), es decir, en las condiciones de inicio del movimiento (ver figura 1). Este proceso, si bien ha sido analizado para erosiones locales en pilas de puentes en laboratorios, puede ser observado en otros fenómenos de socavaciones locales.

Los elementos que aparecen en la erosión local en pilas son los siguientes: 

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Flujo descendente aguas arriba.   Vórtice en herradura, al pie del pilar; estas dos turbulencias socavan el fondo,  junto a la base del pilar.   Vórtice en estela aguas abajo del pilar; arrastra el sedimento erosionado. s uperficie.   Sobreelevación de la superficie del agua con pequeños remolinos de superficie.  

 

 

SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS

Es la remoción del material que circunda las pilas de un puente. Está causada por el cambio de dirección de las líneas de corriente, la turbulencia, la aceleración del flujo y los vórtices resultantes inducidos por la obstrucción.

 

 

Factores que afectan la socavación local en pilas 

  Ancho y longitud de la pila

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  Angulo de ataque del flujo 

   

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Estratificación o no del suelo

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Formas del lecho Hielo

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Material flotante 

   Tiempo 

 

Problema: Basicamente el problema consiste en determinar la diferencia de energías entre un punto aguas arriba y otro aguas debajo de las pilas o pilares de un puente.