DCDP_09_03_01

cimentaciones, pilares y

estribos

En este captulo se desarrollan sistemas de resortes simples y mltiples de

un grado de libertad, cubriendo los sistemas ms usados en la

construccin y retrofit ssmico de edificios, siguiendo el documento FEMA

P440A Effects of Strength and Stiffness Degradation on Seismic

Response. Se realiza una revisin del comportamiento histertico de

componentes estructurales, se estudian los conceptos de Contorno

Mximo de la Capacidad Fuerza-Desplazamiento y Envolvente Cclica y

cmo intervienen para predecir el colapso de una estructura. Tambin se

realiza una introduccin al Mtodo del Anlisis Dinmico incremental

(IDA), cmo interpretar las curvas IDA y cmo stas se pueden conjugar

con el Contorno Mximo de la Capacidad Fuerza-Desplazamiento.

Comunidad para la Ingeniera Civil Diplomado Clculo y Diseo de Puentes Cimentaciones, Pilares y Estribos

Clculo y Diseo de Puentes por Voladizos Balanceados 141

Cimentaciones, Pilares y Estribos 3.

3.1. Introduccin

Probablemente el rea de mayor reto para el ingeniero civil es aquel del diseo y construccin de la

cimentacin, presentado los peligros potenciales ms grandes sino tambin produciendo los ahorros ms significantes a

los conceptos de diseo ms adecuados o mtodos de construccin refinados. La primera aplicacin industrial del

concreto pretensado fue relacionada a resolver un problema insuperable de recalce de cimentacin.

El terminal transatlntico construido en Le Havre Harbor en Francia en el English Channel fue abierto a

operacin en 1934 para recibir a la nueva generacin de barcos rpidos de pasajeros entre Europa y Amrica. La

cimentacin no adecuada de la baha de la parte posterior de la nueva construccin caus asentamientos constantes

inmediatos a una velocidad de plg (12.7 mm) por mes sin lmite previsible, Excepto la ruina total de la instalacin,

Figura 3-1. Eugene Freyssinet propuso un nico sistema de recalce, el cual fue inmediatamente aceptado e

implementado, por lo que pilotes de concreto pretensado fueron fabricados en el stano del edificio existente en

incrementos sucesivos e hincados progresivamente por jacks hidrulicos para alcanzar un estrato de suelo bajo estable,

que se encontr a una profundidad no mayor que 100 pies (30.5 m), Figura 3-2. Este ejemplo debe ciertamente hacerse

una precaucin contra el excesivo optimismo en el diseo de la cimentacin; 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 optimizacin de la

cimentacin y diseo del pilar que de la superestructura misma. Este captulo abordar con ciertos aspectos especficos

de los pilares, estribos, y cimentaciones para los puentes construidos en voladizos balanceados. Conceptos similares

pueden extenderse para cubrir otros mtodos constructivos (tramo-por-tramo, lanzamiento incremental, y as

sucesivamente).

Figura 3-1: Terminal transatlntico Le Havre, seccin tpica.



Figura 3-2: Terminal transatlntico Le Havre: (a) seccin vertical y planta de la viga principal de la cimentacin

compuesta.



Los pilares con formas muy diferentes han sido usados en conjunto con la construccin por voladizos. Por

ejemplo, los pilares simples, pilares dobles, y pilares resistentes a momentos han sido usados. El mtodo de

construccin segmental por voladizos tiene una influencia importante y de apoyo en el concepto de diseo de la

estructura. La resistencia y estabilidad elstica de los pilares durante la construccin requiere de investigacin

cuidadosa. Los pilares temporales o el fortalecimiento temporal de los pilares permanentes o una combinacin de

ambos han sido usados. Sin embargo, la eleccin de pilares que tienen adecuada estabilidad sin ayudas temporales es

altamente deseable. Los pilares de una seccin cajn, 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 (contraccin, flujo plstico y expansin termal) en los soportes. Los puentes tales

como el Choysi-Le Roy, Courbevoie, y el Chillon Viaduct muestran cmo el uso de pilares con patas flexibles hace

posible alcanzar la total continuidad del tablero y construir la accin prtico entre el tablero y los pilares sin

menoscabar la expansin libre de la estructura. Las piernas convergentes del pilar usadas en el Choysi-Le-Roy reducen e

incluso cancelan la cantidad de flexin 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 nmero variable de pads elastomricos laminados pueden usarse para proporcionar la flexibilidad

horizontal deseada.

Si en la estructura acabada los pilares esbeltos simples son diseados solamente para transferir las cargas

del tablero a la cimentacin (incluyendo las cargas horizontales), los pilares pueden ser incapaces de resistir los

momentos asimtricos debido a la construccin 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 construccin 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 cimentacin simple. La estabilidad durante la construccin es excelente y

requiere de equipo pequeo temporal, excepto para algn arriostre entre muros esbeltos para prevenir la inestabilidad

elstica.

Los pilares resistentes a momento son diseados para resistir los momentos de desbalance durante la

construccin proporcionando un pretensado vertical temporal entre el tablero y el cabezal del pilar, de esta manera

produciendo una conexin rgida. Los jacks planos son usualmente colocados entre la parte superior del pilar y el sofito

del segmento pilar para permitir la sustitucin de los asientos de apoyo temporales por los pads de neopreno

permanentes. Cuando la relacin entre las longitudes del tramo y la altura del pilar lo permiten, la conexin rgida y la

accin prtico correspondiente pueden mantenerse permanentemente entre la superestructura y los pilares.

Los pilares no necesariamente tienen que ser secciones transversales slidas masivas; una seccin tipo

cajn, Figura 3-3, puede ser ms efectiva y ms econmica. En los Estados Unidos se sinti que un pilar slido fue ms

econmico. Sin embargo, para los pilares altos la economa del vaceado del pilar deber evaluarse contra el costo de la

carga muerta adicional soportada por el pilar excavado y transferido a la cimentacin. Puede ser deseable prefabricar el



pilar como segmentos tubulares que son pretensionados verticalmente uno con el otro as como para la cimentacin;

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 seccin tubular puede ser reemplazada por una seccin I, Figura 3-4. Sin embargo, la

resistencia baja a torsin de esta seccin impone ciertas precauciones para limitar la deformacin de la superestructura

en voladizo durante la construccin, in particular con respecto al efecto de las fuerzas de viento.

Figura 3-3: Code Bridge, pilar tipo cajn.

Para el caso de una estructura continua sobre pilares cortos rgidos, los cambios volumtricos del concreto

(contraccin, flujo plstico, y expansin termal) componen el efecto redundante del pretensado longitudinal para

producir, en virtud de la rigidez de los pilares, las fuerzas de flexin que deben ser transmitidas a las cimentaciones, as

condenando el uso de una conexin rgida entre la superestructura y su soporte. Esta desventaja entonces requiere la

introduccin de una superestructura continua descansando sobre un nmero de soportes que permitan el movimiento

longitudinal de la superestructura (pads de neopreno, tefln, y similares). Sin embargo, es necesario asegurar la

estabilidad de la superestructura durante la construccin 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 solucin es el uso de pilares con patas flexibles gemelas esbeltas. La transmisin de las cargas

horizontales en la direccin 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

accin de los soportes separados.



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

de la superestructura), permitiendo la resolucin del problema de expansin planteado por la estructura

continua.

3. Estabilidad de la superestructura durante la construccin por un arriostre simple temporal.

Figura 3-4: Pyle Bridge, pilar de seccin-I.

En la estructura final, la flexibilidad de las patas es suficiente para acomodar las fuerzas de arriostramiento

longitudinal.

Cuando la geometra de la estructura lo permite, es ms econmico inclinar los muros con la finalidad de

reducir el momento flector transmitido a la cimentacin. Si las patas estn articuladas en la superestructura y si los ejes

de las dos patas convergen cerca del nivel de la cimentacin, el momento flector es ya sea cancelado o minimizado y la

distribucin en el suelo de soporte es esencialmente uniforme, como para una reaccin vertical, Figura 3-5. Este tipo de

estructura es similar a un prtico 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 tensin sobre una pata, el cual entonces acta como una viga

tirante, y una fuerza de compresin en la otra pata, que entonces acta como un puntal. Por esta razn es a menudo

necesario pretensar las patas para acomodar la fuerza de tensin.

Cuando las patas son verticales, no se benefician apreciablemente de la accin prtico o arco, y la

estabilidad es esencialmente contenida en su resistencia a flexin. Para el caso cuando las patas estn articuladas en



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 anlisis cuidadoso es requerido para asegurar la estabilidad elstica 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 examinar en mayor detalle en la seccin que sigue.

Otra familia de pilares que se prestan a la construccin 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 construccin o en la estructura finalizada mientras se permite la libre

expansin del tablero continuo, Figura 3-6. La eleccin apropiada de las dimensiones para los asientos de apoyo de

neopreno permitir controlar la cantidad de flexin transferida hacia la cimentacin; de hecho, los pilares rgidos 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 caern en una de

las siguientes cuatro categoras:

1. Pilares resistentes a momento ya sean rgidos 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 construccin para resistir las

condiciones de cargas de desbalance.

Luego de revisar las cargas aplicadas a los pilares y considerando algunas sugerencias pertinentes a la

esttica de los pilares y estribos para los puentes segmentales de concreto, nos ocuparemos de forma separada con



cada uno de los cuatro tipos de pilares. El captulo concluye con una revisin 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 diseo de los pilares y sus cimentaciones,

tanto en la estructura finalizada como durante su construccin.

3.2.1. Cargas Aplicadas a la Estructura Finalizada

Adems de los varios arreglos de carga tomados en cuenta para las estructuras convencionales y usadas en

combinacin como se establecen en las especificaciones de la AASHTO, por ejemplo, es necesario incluir algunos

aspectos particulares de diseo a la construccin de voladizos segmentales como sigue:

1. Cuando se realiza una accin prtico entre la superestructura y los pilares, la transferencia

apropiada de momentos hacia los pilares debe ser considerada, particularmente bajo cargas vivas no

simtricas. 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

parmetros usuales usados para definir la flexibilidad de un pilar como la relacin entre las cargas aplicadas

(M, Q, y N) y los componentes correspondientes de la deformacin en el mismo punto ( ). Los cuatro

coeficientes de flexibilidad A, B, C, y K deben incluir todos los componentes del pilar y su cimentacin: suelo,

pilotes (si se usan), zapatas, excavacin 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 construccin del tablero generalmente impone cargas especiales a la subestructura.

Los pilares adyacentes a una junta de expansin localizada en el punto de contraflexin (ver discusin en el

Captulo anterior) estn sometidos a momento flector apreciable debido tanto a la relajacin de la rtula



luego de la construccin del voladizo como a la carga viva colocada en cualquier lado de la rtula. Las cargas

aplicadas a la estructura por el equipo de construccin resultan tambin en momento a transferir en los

pilares conectados a la superestructura. Dos casos tpicos a menudo encontrados son:

a. En la construccin segmental prefabricada con segmentos colocados con un gantry de

lanzamiento, las reacciones de las patas del gantry son aplicadas al esquema esttico temporal y

liberadas en otro esquema esttico (luego que la continuidad entre dos brazos adyacentes de

voladizos se realice).

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

brazos del voladizo libre durante la construccin 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 simultneamente inducidos.

2. Los cambios de volumen (contraccin y variaciones termales) y el acortamiento a largo plazo de los

materiales (flujo plstico del concreto y relajacin del acero) inducen tanto momentos como cargas

horizontales en los pilares, los cuales deben incluirse en el diseo.

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

3.2.2. Cargas Aplicadas Durante la Construccin

La construccin por voladizos balanceados impone en los pilares una configuracin de carga que es

simtrica globalmente. Las condiciones no balanceadas aparecen, sin embargo, como un resultado de las etapas de

construccin intermedias (cargas normales debido al trasportador o a un segmento fuera de balance), la aplicacin de



cargas aleatorias (diferencia entre cargas muertas reales y calculadas o rfagas de viento), o condiciones accidentales

(tales como la cada de un transportador).

3.2.2.1. Cargas Normales

La condicin ms crtica aparece por un segmento fuera de balance en el extremo fuera de borda del brazo

del voladizo. Incluso en el caso de la construccin con transportadores simtricos permitiendo vaceados simultneos de

ambos segmentos correspondientes, la suposicin que el peso total del segmento fuera de balance es algo seguro, ya

que ninguna garanta puede darse que el hormigonado del concreto proceder simultneamente en cualquier extremo

del voladizo. Si el equipo de construccin est diseado para instalarse sobre el tablero, Figura 3-8, ste debe ser

tomado en cuenta para el diseo del pilar. Por ejemplo, una gra 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 geomtrica sistemtica, aunque dentro

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

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

(12 m) con un rea de seccin transversal de ( ). Sin embargo, es muy poco probable que el peso

mximo disminuya en un brazo del voladizo y que aparezca simultneamente con el aumento del peso mximo en el

otro. Es por lo tanto razonable limitar el momento transferido al pilar a 2% del momento mximo del voladizo del

tablero debido al peso de la viga principal. Otras cargas aleatorias relacionadas a la construccin son producidas por el

equipo pequeo, camiones, almacenamiento sobre el tablero de los materiales tales como tendones de post-

tensionado, y as sucesivamente. Una carga uniforme equivalente de 5 psf (24.4 kg/m2), junto con una carga

concentrada mvil de 20 k (9 mt), deber ser una provisin segura para cubrir estas cargas aleatorias.

Tomando como ejemplo el Houston Ship Channel Bridge, que fue considerado en la Seccin 2.17, el efecto

de estas tres cargas aleatorias sera:

Diferencia en el peso muerto: .

Carga uniforme aleatoria: ( ) .

Carga concentrada aleatoria: .

Suma total de las tres cargas: 59000 kips.

El momento total deber compararse al efecto de un segmento fuera de balance en el extremo lejano de un

voladizo:



Una ltima fuente de carga aleatoria es proporcionada por las garrafas de viento que aplican una presin de

levantamiento o succin del intrads de la viga principal tipo cajn durante la construccin. Para tramos largos y sitios

de construccin expuestos a huracanes, es deseable realizar pruebas aerodinmicas. Para un ngulo incidente de 10

sobre la horizontal, la presin hacia arriba sera 5 psf (0.2394 MPa) durante la construccin. Este valor puede

sustancialmente incrementarse en sitios expuestos. Para la construccin del Gennevilliers Bridge, una presin mxima

de 9 psf (0.4309 MPa) fue registrada en las pruebas de tnel de viento.

3.2.2.3. Cargas Accidentales

Estas son el resultado de un incidente de construccin o de falla humana, causando ya sea la cada de un

transportador en la construccin vaceado en sitio o del equipo de elevacin en el caso de la construccin prefabricada.

Tales cargas debern ser multiplicadas por un factor de 2, representando el coeficiente para el caso de carga inmediata.

Nunca se previ considerar la cada de un segmento vaceado en sitio y del transportador luego del vaceado, ni la cada

de un segmento prefabricado inmediatamente luego de su colocacin en la estructura. Un registro muy grande de la

seguridad en tales mtodos de construccin justifica aquel enfoque. Sin embargo, en el caso donde la consecuencia de

tal mayor accidente sera excepcionalmente desastroso (donde, por ejemplo, si el trabajo toma lugar sobre una

carretera o una va de ferrocarril en operacin), disposiciones especiales debern incorporarse al diseo y en los

procedimientos de construccin para duplicar todas las caractersticas de seguridad en cada etapa de ereccin.

3.3. Sugerencias sobre la Esttica de los Pilares y Estribos

El problema de la esttica es subjetivo y controversial. Hay, sin embargo, un consenso entre los ingenieros,

propietarios, y usuarios que ciertas estructuras de los puentes son ms placenteras que otros. En un momento cuando

demasiado nfasis est siendo colocado en la proteccin de nuestro entorno y naturaleza de las estructuras agresivas

hechas por el hombre, puede ser til revisar algunas reglas basadas en la experiencia que contribuyen a la esttica de

los puentes de concreto con muy pequeo costo agregado.

3.3.1. Disposicin de la Estructura

Hablando en forma general, un intento deber hacerse para emparejar la estructura al entorno y preservar

el paisaje existente. Evitando terraplenes altos y grandes en los extremos del puente as como muros de retencin

elevados y grandes que acentan la intrusin de la nueva estructura. Permitir el nmero y forma de los pilares para

mantener un mximo de transparencia. La optimizacin del costo de las longitudes de los tramos de la superestructura

normalmente ayuda a evitar serios errores estticos. 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 obstculos, a pesar de las dificultades prcticas que puede implicar cuando la coordinacin del proyecto

involucra diferentes propietarios y agencias. Cuando un cruce areo, por ejemplo, una autopista y una va frrea

paralela, nada puede ser peor que construir dos estructuras separadas (probablemente de diferentes alturas)

conectadas por un terrapln pequeo contenido en ambos extremos por muros aleros de altura variable, Figura 3-9.



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

3.3.2. Esttica del Pilar

Una ventaja significativa de la construccin segmental es permitir la continuidad del tablero, ms que

estructuras simplemente soportadas. Ya no hay una necesidad para pilares pesados que sobresalen del sofito de la

superestructura. Los pilares pueden tener lneas elegantes simples y ser diseadas para recibir directamente las vigas

principales tipo cajn de la superestructura.

Los pilares tipo cajn de seccin prismtica pero con curvas curvilneas mejoran la apariencia sobre la

seccin convencional rectangular. Los pilares de aproximacin del Brotonne Viaduct, Figura 3-10, utilizaron aquel

concepto y tambin los pilares para el Linn Cove Viaduct en North Caroline. Ms formas refinadas pueden usarse, tales

como los pilares de los ros del Blois Bridge, Figura 3-11, donde la escultura de las caras fue diseada para recordar la

apariencia de un pilar con muros inclinados gemelos similar al del Juvisy Bridge. Estudios arquitectnicos pueden

proseguirse e ir ms all de las necesidades estructurales inmediatas del diseador. Un ejemplo de inters es

proporcionado de los pilares de los ros del puente de ferrocarril en Clichy cerca de Pars, Figura 3-12.

Una dificultad surge a menudo para los puentes esviados cuando los pilares incluyen mltiples pilares

excavados. Una solucin satisfactoria fue desarrollada para el Pars Downstream Belt Bridge, Figura 3-13. A las cuatro

columnas de un pilar rivereo se les da la forma de un rombo, con un eje de simetra que coincida con el alineamiento

de la superestructura mientras dos de las cuatro caras exactamente alinean las cuatro columnas en la direccin del flujo

del ro.

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



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

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

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



Figura 3-14: Saint Cloud Bridge: (a) pilares rivereos; (b) vista general.

Cuando los pilares se vieron slo desde una gran distancia, generalmente no vale la pena solicitar por un

tratamiento especial de las caras de concreto. La vista juzgar slo la forma general de la estructura y sus proporcionas

enteras. Para puentes urbanos la situacin es muy diferente y a menudo justifica algn tratamiento de los pilares. Los

pilares de ro o rivereos del Saint Cloud Bridge fueron vaceados con un sistema de surcos o bruas verticales

espaciadas de cerca, que mejoraron grandemente sus apariencias a un muy pequeo costo aadido, Figura 3-14.

3.3.3. Esttica de los Estribos

En ambos extremos, la estructura tiene que mezclarse con el paisaje existente con un mnimo de

perturbacin. Entre los dos sistemas de muros aleros mostrados en la Figura 3-15, la preferencia deber ser

fuertemente por el tipo (a), el cual permite una mayor transicin gradual entre las lneas de la superestructura y

aquellas del terrapln de aproximacin.



Figura 3-15: Muros aleros y estribos.

Cuando las almas ahusadas son usadas en las vigas principales tipo cajn de la superestructura, se ha

encontrado que en los muros aleros laterales en los estribos se puede dar la misma inclinacin para mejorar la

transicin entre el tablero y los estribos, Figura 3-16.

3.4. Pilares Resistentes a Momento y sus Cimentaciones

Se cubrir este tpico describiendo caractersticas sobresalientes de varias estructuras caractersticas.

3.4.1. Pilares Principales para el Brotonne Viaduct, Francia

Los dos pilares principales piln para el Brotonne Viaduct descansan sobre columnas cilndricas de 41 pies

(12.46 m) de dimetro con un espesor mximo de la pared de 9.3 pies (2.83 m) y estn 115 pies (35 m) por debajo del

nivel del terreno en un estrato de caliza sobre camas aluviales de limo y grava. La reaccin mxima al nivel de la zapata

es de 19000 toneladas. Las dimensiones tpicas de un sistema principal de cimentacin se muestran en la Figura 3-17.

Se decidi seleccionar el nivel terico de cimentacin a 115 pies (35 m) por debajo del nivel original del

terreno, donde la cama de caliza tiene las caractersticas mnimas siguientes determinadas a partir de pruebas del suelo



en laboratorio y en pruebas en sitio: ngulo de friccin interna de 20, cohesin de , y un lmite de presin

(en pruebas triaxiales) de . El sistema de cimentacin resisti 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 cimentacin principal empotrada en el suelo y descansando en el estrato inferior de caliza

fue analizado como un cuerpo rgido sometido a las cargas aplicadas ( ) mostrados en la Figura 3-18 y

recibiendo desde las reacciones laterales del suelo a lo largo de la excavacin 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

determin considerando el cuerpo total siendo sometido a un ngulo de rotacin alrededor de un centro instantneo

de rotacin 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 presin pasiva directa sobre la cara frontal para neutralizar en la cara posterior).

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

La configuracin de la carga mxima es representada numricamente en la Figura 3-18 junto con los

diagramas para:

Las reacciones laterales en la columna.

Momentos flectores a lo largo de la columna.



Esfuerzos de apoyo bajo la base.

Si no hubiera ningn soporte lateral, el momento flector en la base habra sido 370000 pies-kips. De hecho,

el momento real es slo 130000 pies-kips, que explica el por qu el esfuerzo de la fibra exterior no es mayor que

mientras la presin promedio de apoyo es .

El factor de seguridad real para la cimentacin contra la falla del suelo est entre 3 y 4, dependiendo de las

suposiciones de las caractersticas del suelo.

Figura 3-17: Brotonne Viaduct, cimentaciones del piln.

En la medida en que el mtodo de construccin es preocupante, cada columna de la cimentacin principal

fue construida en el interior seco de una atagua 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 permiti la deshidratacin del sitio luego de la

excavacin para inspeccionar el material de la cimentacin y confirmacin de las caractersticas del suelo reales por

pruebas del suelo in situ. Luego de esta inspeccin, las ataguas fueron inundadas y un sello tremie fue colocado en la

base para prevenir cualquier riesgo de lavado del concreto de la cimentacin 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

excavacin de la cimentacin fue entonces formada por deslizamiento al interior de la atagua. La excavacin del pilar

fue dando la forma de un octgono con lados curvilneos por razones estticas. Las dimensiones generales de la

excavacin de la cimentacin de la excavacin del pilar permiti una muy natural y directa transferencia de las cargas al

nivel del terreno sin la necesidad de una zapata armada pesadamente. La construccin de ambas cimentaciones fue

muy satisfactoria. El nico incidente fue creado por el hecho que un panel de la atagua en el pilar sur fue excavado



fuera de plomo en su extremo inferior. En consecuencia, la continuidad del anillo horizontal para resistir la presin

hidrosttica no fue realizada en la parte inferior de la atagua. El grouting del suelo circundante se alcanz en esta rea

y un anillo adicional de concreto armado fue vaceado al interior antes de completar la excavacin y final deshidratacin.

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 excavacin del pilar.



Mediciones topogrficas regulares en el sitio han mostrado que los asentamientos de ambas cimentaciones

de los pilares han sido muy pequeos y estn estabilizados.

3.4.2. Pilares y Cimentaciones para el Sallingsund Bridge, Dinamarca

La subestructura y los pilares de esta estructura presentan una metodologa de construccin 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 dimetro es de 27 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 tensin y

compresin 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 gra flotante y descargada al resto sobre tres pilotes temporales verticales. El inferior es alrededor de 52.5



pies (16 m) por debajo del nivel de agua. Para un exacto posicionamiento en su posicin sumergida, proporcionada con

una torre de alineamiento, la parte superior est siempre sobre el agua, Figura 3-21.

El cajn 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 prefabricacin 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 gra flotante, se proporciona con una tapa, y aire comprimido es

bombeado en la cavidad. La gra flotante entonces transporta el cajn del pilar hasta la ubicacin 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.



Figura 3-22: Sallingsund Bridge, vista area de la planta de prefabricacin y el puerto para la construccin de la

subestructura.

Figura 3-23: Sallingsund Bridge, esquema de la construccin 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.



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

3.4.3. Concepto de la Cimentacin 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

aproximacin 15 al 26 del I-205 Columbia River Bridge en el estado de Oregon, como se muestra esquemticamente en

las Figuras 3-25 y 3-26. Pilotes H de acero de capacidad de 200 toneladas tuvieron que ser hincadas a travs de una

plantilla cajn, permitiendo al concreto tremie ser colocado al interior del pozo. Los segmentos prefabricados fueron

diseados para almacenarse uno al otro sobre la plantilla hecha sobre la excavacin del pilar y transfiere la carga de la

superestructura a los pilotes.

Este esquema no fue realmente usado, ya que el contratista decidi un mtodo ms convencional de

construccin. 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 realiz como sigue:

Una excavacin rectangular de 161 pies (49 m) del alto con una seccin transversal que vara en

dimensiones desde ( ) en la base hasta ( ) en la

parte superior. La seccin es un cajn de una sola clula 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 dimetro que

tienen espesores de pared de plg (12.7 mm).

La superestructura es completamente integral con los dos pilares del canal principal formando un prtico

rgido, tanto durante la construccin como en la estructura finalizada.

Los esfuerzos en el concreto y el acero de refuerzo fueron analizados en ambos estados con el enfoque de

diseo de cargas de servicio, y la resistencia ltima fue verificada por el mtodo del factor de carga. El anlisis es ms

agotador, ya que en la estructura completada slo hubo 19 unidades de cargas combinadas en 37 combinaciones de

carga por el diseo de cargas de servicio y en 42 combinaciones de carga para el diseo del factor de carga.

El rea de la seccin transversal de concreto junto con el rea de acero de refuerzo correspondiente es

como sigue:



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

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



Parte superior:

Parte inferior:

Bajo cargas en servicio el esfuerzo promedio del concreto de la seccin 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 vara generalmente entre 160 y 200 . El uso de un pilar de ancho variable en la direccin

transversal permite el mximo esfuerzo y la cantidad requerida de acero de refuerzo para incrementar en una tasa

lenta con la altura del pilar, mientras un pilar excavado prismtico estar sometido a un esfuerzo muy crtico en la base.

3. Cimentaciones, Pilares y Estribos3.1. Introduccin3.2. Cargas Aplicadas a los Pilares3.2.1. Cargas Aplicadas a la Estructura Finalizada3.2.2. Cargas Aplicadas Durante la Construccin3.2.2.1. Cargas Normales3.2.2.2. Cargas Aleatorias3.2.2.3. Cargas Accidentales

3.3. Sugerencias sobre la Esttica de los Pilares y Estribos3.3.1. Disposicin de la Estructura3.3.2. Esttica del Pilar3.3.3. Esttica de los Estribos

3.4. Pilares Resistentes a Momento y sus Cimentaciones3.4.1. Pilares Principales para el Brotonne Viaduct, Francia3.4.2. Pilares y Cimentaciones para el Sallingsund Bridge, Dinamarca3.4.3. Concepto de la Cimentacin del Pilar Tipo Campana Prefabricado para el I-205 Columbia River Bridge, Estados Unidos3.4.4. Pilares Principales para el Houston Ship Channel Bridge, Estados Unidos

DCDP_09_03_01

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