pilares de puentes

INGENIERIA DE PUENTES

PILARES DE PUENTES

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1.- PILARES. En ingeniería y arquitectura un pila

r , palabra proveniente del Latín  pila, es un elemento de soporte o sostén

de

una

estructura,

de

orientación vertical o casi vertical, destinado compresión

a

recibir

cargas

generalmente)

(de para

transmitirlas a la cimentación y que tiene sección transversal poligonal.

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1.1.- Los Pilares como una subestructura de un puente: La subestructura está compuesta por estribos y

pilares, quienes

transmiten la carga al terreno atreves de sus cimientos. Los pilares son apoyos intermedios de un puente de dos o más tramos, es decir que reciben las reacciones de dos tramos de puentes transmitiendo la carga al cimiento. Deben soportar la carga permanente y sobrecargas sin asientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales (vientos, riadas, etc). Los pilares de puente se deberán diseñar de manera que transmitan a las fundaciones las cargas de la superestructura y las cargas que

actúan

sobre el propio pilar. Estos generalmente son de concreto armado y se sitúan en la parte central. La base de una pila de puente es un ejemplo común de zapata sujeta a cargas verticales y momento con relación a ambos ejes. Las cargas verticales se deben al peso muerto y a la carga viva de la superestructura y al peso propio de la pila. Los momentos y fuerzas cortantes en la cimentación se producen por fuerzas horizontales, como la fuerza centrífuga y las debidas a la tracción, cabeceo, viento, corriente, y hielo. Para la combinación más desfavorable de estas cargas, la presión admisible en el suelo o reacción del pilote debajo de la base, ordinariamente se aumenta de 25 a 50 por ciento sobre el valor permitido bajo la carga muerta más la carga viva.

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1.2.- Tipos de Pilares. Existen muchos tipos de pilares como se puede observar a continuación. Incluso, estos pilares pueden ser de forma hueca para aumentar la rigidez del elemento.

a) Pilares de pórtico abierto con viga cabezal.

b) Pilares de pórtico cerrado con viga cabezal.

c) Pilares tipo pared.

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Como su nombre lo indica consta de una pared transversal al eje de longitudinal de la superestructura y una zapata corrida. El diseño de la pared se lo puede realizar como un voladizo y al igual que para los estribos las cargas que soportara la pila se las dividirá por su longitud para para trabajar con cargas uniformemente distribuidas por unidad de longitud.

Geometría. Para el diseño de la pila se utilizó una pila tipo pared o

muro en voladizo al igual que para los estribos. Sin embargo en el caso de pilares se debe tener presente la forma de los mismos pues de estar sumergidos deben tener una forma aerodinámica para evitar socavación y la formación de vórtices. Se utilizan pilares circulares cuando la dirección del flujo es incierta o variante. En la siguiente figura se pueden ver las formas algunos pilares sumergidos. d) Pilares tipo Marco.

Las partes a considerar en el análisis de este tipo de pila son el marco, compuesto por vigas y columnas, y cimentación.

e) Pilares con viga en voladizo o cabeza de martillo.

Este tipo de pila es similar en acción a la tipo pared, pero debido a su forma geométrica requiere de un menor volumen de concreto.

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Los componentes de una pila tipo martillo que están sujetos a análisis son los siguientes cabeza, columna y cimentación.

De vista del material, los pilares pueden ser de mampostería, concreto ciclópeo, concreto reforzado o concreto preesforzado.

Las pilares de mampostería y concreto ciclópeo se usan para estructuras de poca altura en terrenos resistentes. Mientras que los pilares de concreto armado y preesforzado son comunes para alturas mayores. Se puede decir que los pilares están compuestos por:

• Base. • Cuerpo o fuste. • Corona o remate.

Los pilares deben tener formas aerodinámicas en caso de encontrase sumergidos. en la siguiente figura se muestran algunas formas de pilares sumergidos. De esta manera se evita la socavación y la formación de

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vórtices. En caso de que la dirección del flujo sea incierta o pueda variar se recomienda usar pilares circulares.

Formas de pilares

 Al igual que los estribos, los pilares pueden cimentarse con cimentaciones superficiales o por medio de pilotes o cilindros hincados.

Tipos de cimentación

1.3.- DETERMINACION DE FUERZAS ACTUANTES. 1.3.1.- Fuerzas o cargas actuantes. Los pilares son los apoyos intermedios de la superestructura del puente. Además, tal como los estribos, estas estructuras deben ser capaces de soportar el empuje de los rellenos, la presión del agua, fuerzas de sismo y las fuerzas de viento. Estas cargas actúan tanto en el sentido longitudinal como en el transversal.

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Donde:

WL: Carga de viento sobre la carga

DC:

viva.

Carga muerta de componentes estructurales y no estructurales.

LL: Carga viva vehicular.

EQ: Sismo.

CE: Fuerza centrífuga vehicular.

WA: Carga de agua y presión del flujo.

WS: Carga de viento sobre la estructura.

BR: Fuerza de frenado.

1.3.2.- Combinación de cargas. Debido a que todas las cargas no actúan simultáneamente, las normas de  AASHTO especifican varias combinaciones de cargas y fuerzas a las cuales debe estar sujeta la estructura. A continuación presentamos la notación para las diferentes cargas: 

Cargas permanentes: DD = Fuerza de arrastre hacia abajo. DC = Carga muerta de componentes estructurales y no estructurales. DW = Carga muerta de superficie de rodadura y dispositivos auxiliares. EH = Presión de tierra horizontal. ES = Carga superficial en el terreno. EV = Presión vertical del relleno.



Cargas transitorias:

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BR = Fuerza de frenado. CE = Fuerza centrífuga vehicular. CT = Fuerza de choque vehicular. CV = Fuerza de choque de barcos. EQ = Sismo. FR = Fricción. IC = Carga del hielo. IM = Impacto. LL = Carga viva vehicular. LS = Carga viva superficial. PL = Carga viva peatonal. SE = Asentamiento. SH = Contracción. TG = Gradiente de temperatura. TU = Temperatura uniforme. WA = Carga de agua y presión del flujo. WL = Carga de viento sobre la carga viva. WS = Carga de viento sobre la estructura.

1.3.3.- Determinación de cargas a) CARGAS HIDRÁULICAS: WA Presión Hidrostática.-  Actúa de forma perpendicular a la superficie, y se calcula como el producto entre la altura de la columna de agua sobre el punto considerado, la densidad del agua y g (aceleración de la gravedad).

Flotabilidad.- Fuerza de levantamiento tomada como la sumatoria de las componentes verticales de las presiones hidrostáticas. Actúa sobre todos los componentes debajo del nivel de agua.

Presión de Flujo La presión de flujo de agua, actuando en la dirección longitudinal de las subestructuras, se tomará como:

p = 52.4CDV2

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Donde:

p = presión del agua (kg/m V2 = velocidad del agua para la inundación de diseño (resistencia y servicio) y

para la inundación de control (evento extremo), en m/s

CD = coeficiente de arrastre para pilas. C o e f  i c i e nte de Arrastre

La fuerza de arrastre longitudinal será el producto entre la presión de flujo longitudinal y la proyección de la superficie expuesta a dicha presión.

Carga Lateral. La presión lateral uniformemente distribuida que actúa sobre una subestructura debido a un caudal de agua que fluye formando un ángulo θ respecto del eje longitudinal de la pila será:

p = 52.4CLV2

Donde: p = presión lateral (kg/m) CL = coeficiente de arrastre lateral

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Carga del Oleaje: Se deberá considerar si se anticipa que se pueden desarrollar fuerzas de oleaje significativas.

Socavación: Se deberá considerar en los estados límites de resistencia y servicio.

b) CARGA DE VIENTO: WL y WS. Presión Horizontal del Viento. El viento es una carga lateral del sobre los puentes. Su magnitud depende entre otros factores de velocidad del viento, del ángulo de ataque del mismo y de la forma del puente. Las cargas del viento deben consistir en cargas móviles uniformemente distribuidas aplicadas al área expuesta de la estructura

La carga de viento se asume está uniformemente distribuida sobre el área expuesta al viento. Para puentes a más de 10 m sobre el nivel del terreno o del agua, la velocidad de viento de diseño se deberá ajustar con:

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Donde: VDZ = velocidad del viento de diseño a la altura de diseño Z (km/h) V0 = velocidad friccional (km/h) V10 = velocidad del viento a 10 m sobre el nivel del terreno o agua de diseño (km/h). En ausencia de datos V10 = V =160 km/h VB = velocidad básica del viento igual a 160 km/h a una altura de 10 m Z0 = longitud de fricción del fetch o campo de viento aguas arriba (m) Z

= altura de la estructura > 10 m

Presión de Viento sobre las Estructuras: WS.

Donde: PD = presión del viento de diseño P B = presión básica del viento

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La carga de viento total no se deberá tomar menor que 449 kg/m en el plano de un cordón a barlovento ni 224 kg/m en el plano de un cordón a sotavento de un componente reticulado o en arco, ni se deberá tomar menor que 449 kg/m en componentes de vigas o vigas cajón.

1.4.- Estabilidad de pilares. Las

pilas

se

proyectarán

para

soportar

adecuadamente

a

la

superestructura, esto es deberán brindar seguridad contra volteo alrededor de los extremos inferiores de la base, contra deslizamiento en la base y contra aplastamiento del material de fundación. Sin embargo es importante mencionar que en el proceso de diseño deberán tomarse previsiones para evitar que los suelos sufran deslizamientos o asentamientos excesivos que pongan en peligro la estabilidad de toda la estructura.

Los pasos estudiados para el análisis de la estabilidad de estribos son igualmente aplicables para el análisis de estabilidad de pilas en ambos sentidos, tomando en cuenta las siguientes consideraciones:



No es común tomar en cuenta el empuje activo de tierras en el análisis de la pila, debido a que las presiones ejercidas en el perímetro de las mismas son, por lo general, similares. Sin embargo, ante situaciones de topografía irregular en el sitio del emplazamiento

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o socavación en un solo lado de la pila, podría ser necesaria su inclusión.



Debido a que las pilas en el proceso de construcción de un puente se completan mucho antes de recibir las cargas muertas y vivas de la superestructura y que durante este periodo están expuestas a distintas solicitaciones, deberán revisarse para las condiciones con y sin superestructura. La estabilidad de la pila con viento sobre la fachada frontal es crítica sin la superestructura.



Al evaluar el peso propio de la pila y el peso del terreno sobre la base de ésta, es necesario considerar el efecto de la presión hidráulica ascendente. Debe tomarse en cuenta que esta última solicitación ha de considerarse en los cálculos de estabilidad aún en las cimentaciones sumergidas apoyadas sobre roca, puesto que el agua bajo la presión probablemente penetrará por las grietas a las  juntas del concreto y la roca.



Las pilas que están situadas en cursos de agua tienen ciertas áreas expuestas a la corriente. En estos casos es necesario considerar el efecto de la presión del flujo de la misma, principalmente en aquellos cursos de agua en los que la velocidad de la corriente es elevada. Esta carga induce momentos de volteo y efectos de deslizamiento en la base de la misma.

ALGUNOS EJEMPLOS DE PILARES: Ejemplo: Determinar el empuje por flotación por la presencia del nivel freático en la zapata de la columna mostrada que corresponde al pilar de un

 puente.

La

zapata

tiene

como

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dimensiones en planta 4.00m x 4.00m.  S olución: La fuerza de empuje por flotación B es: B = γV = 1 T/m³ (4m x 4m x 0.50m) B=8T

Donde: V = volumen de agua que desplaza la zapata γ = peso específico del agua