I. RESUMEN
En esta prctica nos hemos enfocado en los parmetros a usar para
un correcto estudio geolgico en la zona donde se construir un
puente, de manera que podamos observar los riesgos que enfrentara
esta estructura para buscar soluciones o evaluar si la zona es
ptima o no para una estructura de este tipo, basndonos en la
morfologa de la zona, el tipo de formacin que presenta, el tipo de
cimientos a usar, la trayectoria del ro; por lo que, para poder
observar mejor estos parmetros observaremos un ejemplo real, el
puente de la Huaraclla, el cual presenta datos reales y problemas
que se han suscitado debido al tipo de material que acarrea el rio
y la peculiar forma en la que el rio tiene su trayectoria. Tambin
es preciso conocer las reseas histricas de este puente para poder
hacer un correcto estudio empleando los conocimientos que
desarrollamos en el cuestionario dado por el profesor del curso, en
el cual entramos ms a fondo en este importante tema, pues estamos
capacitados para realizar un correcto estudio de puentes basndonos
en los parmetros usados para una correcta localizacin, construccin
y estudio de esta estructura; as como observar e investigar puentes
construidos en nuestro pas y que haya jugado un rol sumamente
importante la geologa de la zona, asimismo estar informados sobre
los riesgos que inevitablemente correr un puente para que podamos
saber cmo contrarrestarlo a tiempo y evitar que la estructura sufra
daos irreparables, tambin es de suma importancia los estudios
previos y su correcta interpretacin, pues de no ser as la
estructura estar en un gran riesgo de colapso, en los que el agua
del rio jugara un papel sumamente importante, por lo que debemos
hacer un correcto estudio hidrolgico basndonos en los mapas
geolgicos y curvas de nivel del lugar.
II. INTRODUCCION
. El desarrollo de las tecnologas de los distintos materiales ha
hecho que las estructuras de los puentes tengan cada vez ms
posibilidades, lo que ha permitido una mayor diversidad de formas y
hacer puentes de hormign y acero, hasta el grado de que a veces es
difcil a distancia saber de qu material estn hechos, especialmente
en las vigas continuas con seccin en cajn de alma llena, metlicas o
de hormign, que se pueden confundir con facilidad si su color es
anlogo. (gelogo Walter Romero Cceres, tesis Geologia y geotecnia
con fines de construccin de puentes)
III. OBJETIVOS
PRINCIPALES:
Aprender determinar las caractersticas fsicas y mecnicas de un
terreno de fundacin, con el fin de proponer el tipo de cimentacin
ms adecuada, que permitan desarrollar la ejecucin de la obra
denominada.
SECUNDARIOS:
Parmetros a tomar en cuenta para evaluar la zona destinada a a
la construccin de puentes.
Estudio de los diferentes tipos de cimentaciones a usar para
este tipo de obras civiles.
Aprender y valuar y solucionar los distintos problemas que
podran presentarse en la construccin de dicha obra.
IV. MARCO TEORICO
DEFINICIN DE PUENTE.
Un puente es una estructura destinada a salvar obstculos
naturales, como ros, valles, lagos o brazos de mar; y obstculos
artificiales, como vas frreas o carreteras, con el fin de unir
caminos y poder trasladarse de una zona a otra. El objeto de cruzar
una va de comunicacin con un puente, es el de evitar accidentes y
facilitar el trnsito de viajeros, animales y mercancas.
Los elementos principales que se pueden distinguir en los
puentes son los siguientes
SUPERESTRUCTURA(figura 1)
Parte del puente que se construye sobre apoyos como son la losa,
las vigas, bveda, estructura metlica, etc. Siendo los elementos
estructurales que constituyen el tramo horizontal.( Braja M,
Das.)
Fig 1 Superestructura de un puente.(fuente: geologa y geotecnia
con fines de construccin de puentes, gelogo Walter Romero Cceres
)
Es la parte superior de un puente, que une y salva la distancia
entre uno o ms claros. La superestructura consiste en el tablero
(losa) soporta directamente las cargas y las armaduras. De acuerdo
al Inventario Estado de Condicin del Puente (IECP) del Sistema de
Administracin de Puentes (SAP), propiedad del Ministerio de Obras
Pblicas; la superestructura est formada por dos partes:
Elementos principales. Es el elemento que transmite las cargas
vivas (transito) y muertas (peso propio de la superestructura) a
los apoyos extremos e intermedios de la infraestructura (estribos y
pilas). Los elementos principales de la superestructura son de
acuerdo al tipo de puente. Elementos secundarios
a) Losa.
La estructura de ste tipo de puente, consiste en una plancha de
concreto reforzado o preesforzado, madera o metal, y sirve de
tablero al mismo tiempo. Fig. 2. Los puentes del tipo losa slo
alcanzan a salvar luces pequeas, generalmente hasta 10mts., esto se
debe a que el costo se incrementa para luces mayores y por el peso
propio de la misma estructura.
Figura 2:Ejemplo de armado para losa de puente.(fuente: geologa
y geotecnia con fines de construccin de puentes, gelogo Walter
Romero Cceres )
b) Vigas.
Los puentes de vigas utilizan como elemento estructural vigas
paralelas a la carretera, que soportan esfuerzos de componente
vertical y transmiten las cargas recibidas a las pilas y estribos
del puente Fig. 3. Sobre las vigas se dispone una losa de concreto
reforzado que sirve de base a la calzada. Las vigas ms simples estn
formadas por tablones de madera, perfiles de acero laminado o
secciones rectangulares de concreto reforzado.
Fig. 3 Colocacin de vigas de un puente. .(fuente: geologa y
geotecnia con fines de construccin de puentes, gelogo Walter Romero
Cceres )
c) Estructura Metlica.
El acero es un material que soporta muy bien los esfuerzos de
flexin, compresin y traccin, y esta propiedad se emplea en la
construccin de puentes metlicos en arco o de vigas de acero. La
armadura es una viga compuesta por elementos relativamente cortos y
esbeltos conectados por sus extremos. La carga fija del peso del
pavimento y la carga mvil que atraviesa el puente se transmiten por
medio de las vigas 52 transversales del tablero directamente a las
conexiones de los elementos de la armadura. En las diversas
configuraciones triangulares creadas por el ingeniero diseador,
cada elemento queda o en tensin o en compresin, segn el patrn de
cargas, pero nunca estn sometidos a cargas que tiendan a
flexionarlos.Este sistema permite realizar a un costo razonable y
con un gasto mnimo de material estructuras de metal que salvan
desde treinta hasta ms de cien metros, distancias que resultan
econmicamente imposibles para estructuras que funcionen a base de
flexin, como las vigas simples descritas anteriormente. Elemento
Secundario. Son elementos complementarios de la superestructura
siendo necesarios para la estabilidad de la estructura y
posibilitan el trnsito por el puente.
SUBESTRUCTURA.
Apoyos.
Los apoyos son conjuntos estructurales instalados para
garantizar la segura transferencia de todas las reacciones de la
superestructura a la subestructura y deben cumplir dos requisitos
bsicos: distribuir las reacciones sobre las reas adecuadas de la
subestructura y ser capaces de adaptarse a las deformaciones
elsticas, trmicas y de otras ndoles inducidas por la
superestructura, sin generar fuerzas restrictivas
perjudiciales.
Los apoyos han sido tan simples como dos placas de acero, hasta
tan complejos como dispositivos mecnicos compuestos por numerosas
partes de distintos materiales.
En general, los apoyos se clasifican en fijos y mviles. Los
apoyos fijos permiten nicamente deflexiones angulares restringiendo
los desplazamientos horizontales; estos tipos de apoyos deben ser
diseados para resistir las componentes verticales y horizontales de
las reacciones. Los apoyos de tipo mvil permiten que el extremo de
un puente, en el que existe uno de stos, se mueva libremente hacia
delante y atrs, debido a la expansin y/o contraccin ocasionada por
los cambios de temperatura; o debido a cambios en la longitud del
puente ocasionados por las cargas vivas, evitando la aparicin de
reacciones horizontales perjudiciales en los apoyos del puente
Apoyos elastomericos (Fig 4).
La capacidad de un apoyo elastomerico para absorber las
deflexiones angulares y los movimientos longitudinales de la
superestructura depende de:
1. El espesor total del apoyo, ya sea simple o laminado. 2. El
factor de forma, que es una relacin entre el rea de la cara cargada
y la suma de las reas laterales libres para abombarse. 3. Las
propiedades del elastmero.
figura 4 :(tipos de apoyos estalomericos)fuente: Cimentaciones
Piloteadas Anlisis y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera
Civil, Universidad Nacional de Ingeniera)
Apoyos de Depsito (Fig. 5).
En puentes rectos con pilas que forman ngulos rectos con la
superestructura, el movimiento rotacional que puede ser absorbido
ocurre sobre un eje fcilmente determinable. En puentes curvos y
puentes rectos en el cual el eje longitudinal de la superestructura
no forma un ngulo recto con la orientacin del obstculo a salvar
(puentes enviajados), el movimiento rotacional ocurre sobre ms de
un eje y no es fcilmente predecible. Para resolver este problema,
los apoyos de depsito tienen la caracterstica de acomodarse al
movimiento rotacional que se desarrolle sobre cualquier eje. Tesis
de Grado,Facultad de Ingeniera Civil, Universidad Nacional de
Ingeniera
figura5: apoyos de deposito fuente: Cimentaciones Piloteadas
Anlisis y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera Civil,
Universidad Nacional de Ingeniera
Apoyos Metlicos.
Son preferentemente de acero estructural, acero o hierro
fundido. Sus componentes bsicos son una unidad superior fija con
pernos en la superestructura y una unidad inferior anclada a la
subestructura, insertados entre stas, si es necesario, hay
elementos para centrar y para absorber las deflexiones angulares y
en el caso de los apoyos de expansin, para los movimientos
longitudinales de la superestructura.
Para longitudes menores de 50 pies no es necesario hacer
previsiones para deflexiones angulares, sin embargo para longitudes
mayores s. En este caso los apoyos pueden consistir en dos placas
planas de acero en contacto una con otra. Para claros mayores de 50
pies la AASHTO requiere placas curvas (Fig 3.8), articulaciones o
pasadores. Para apoyos de expansin se agregan placas deslizantes,
mecedoras, rodillos o cojinetes elastomericos, si es necesario.
FUNDACIONES.
Las fundaciones son los elementos estructurales que se encargan
de transmitir las cargas de superestructura y subestructura al
suelo de cimentacin, sin sobrepasar su capacidad de carga. La
seleccin y el diseo de la fundacin apropiada depende de las
condiciones de carga especificadas en el anlisis estructural, de la
geometra del elemento de la subestructura en anlisis y del puente
en general, de las condiciones geolgicas de la superficie y del
subsuelo, y de la interpretacin de los datos de campo y pruebas de
laboratorio, todo ello combinado con juicio ingenieril.
La fundacin debe ser proporcionada tan superficial como sea
posible, ya que los costos aumentan con la profundidad. El nivel de
desplante de la fundacin ser tal, que al alcanzar el estrato
resistente prevea asentamientos totales o diferenciales, que
resista fuerzas laterales y que evite problemas debidos al
movimiento de tierra, erosin y en cambios en el nivel de
superficie.
Considerando el tipo de sistema estructural, tipo de cargas
soportadas y la capacidad del suelo de cimentacin el Dr. Edgar G.
Nawy en su libro Concreto Reforzado define seis tipos bsicos de
estructuras de cimentacin, presentadas a continuacin.a. Zapatas de
Muros (Fig 8).
Estas zapatas consisten en una franja continua de losa, a lo
largo del muro y de un ancho mayor que el espesor del mismo. Braja
M, Das (1999)
figura 8. Zapata de muro fuente: Cimentaciones Piloteadas
Anlisis y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera Civil,
Universidad Nacional de Ingeniera
b. Zapatas aisladas (Fig 9).
Consisten en losas rectangulares o cuadradas que pueden tener un
espesor constante o que se reducen en la punta del voladizo. Se
refuerzan en las dos direcciones y son usualmente utilizables para
cargas relativamente pequeas o para cimentaciones sobre roca. Braja
M, Das (1999)
figura 9: zapata aislada fuente: Cimentaciones Piloteadas
Anlisis y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera Civil,
Universidad Nacional de Ingeniera
c. Zapatas Combinadas (Fig 10).
Estas zapatas soportan dos o ms columnas y se utilizan
generalmente cuando las distancias entre columnas sucesivas son
relativamente cortas.
figura 10 : zapata combinada fuente: Cimentaciones Piloteadas
Anlisis y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera Civil,
Universidad Nacional de Ingeniera
d. Zapatas en Voladizo o Ligadas (Fig 11).
Estas son similares a las zapatas aisladas excepto que estn
unidas con una viga para transmitir el efecto del momento
flexionante debido a la excentricidad de la carga en una de las
zapatas. Braja M, Das (1999)
figura 11 zapata ligada fuente: Cimentaciones Piloteadas Anlisis
y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera Civil, Universidad
Nacional de Ingeniera
e. Cimentacin en Pilotes (Fig 12).
Este tipo de cimentacin es esencial cuando el suelo de la
cimentacin consiste de estratos poco resistentes hasta
profundidades considerables. Los pilares se pueden hincar hasta
llegar a un estrato resistente, o a la profundidad necesaria dentro
del suelo para que el pilote desarrolle su capacidad permisible por
medio de la resistencia por friccin, o una combinacin de ambas.
Braja M, Das (1999)
figura 12: Cimentacin en Pilotes fuente: Cimentaciones
Piloteadas Anlisis y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera
Civil, Universidad Nacional de Ingeniera
f. Cimentaciones Flotantes o Losas de Cimentacin. (Fig. 13)
Estos sistemas de cimentacin son necesarios cuando la capacidad
de carga del suelo es muy baja hasta profundidades grandes, lo cual
hace que las cimentaciones con pilotes no sean econmicas. En este
caso es necesario hacer una excavacin lo suficientemente profunda,
para que la cantidad de suelo que se remueva sea casi equivalente a
la carga que la estructura soportar. Las estructuras soportadas por
est tipo de cimentacin se consideran como sistemas de pisos
invertidos. Braja M, Das (1999)
Figura 13: Cimentacin flotante fuente: Cimentaciones Piloteadas
Anlisis y Diseo Tesis de Grado,Facultad de Ingeniera Civil,
Universidad Nacional de Ingeniera
ESTUDIOS DE SOCAVACIN EN SUBESTRUCTURAS DE PUENTES.
En todo problema de cimentacin de subestructura de puentes, la
erosin es uno de los aspectos a considerar que han de tratarse con
mayor detenimiento. Braja M, Das (1999)
En las subestructuras de pasos a dos niveles el problema de la
erosin puede tratarse por medio de los siguientes procedimientos
convencionales Braja M, Das (1999)
1- Sembrando en el talud adyacente al frente del estribo o pila
algn tipo de planta que sirva como barrera natural contra la
erosin. Con este fin se utilizan usualmente izote, zacate, etc.
(Fig 14).
2- Proveyendo a la superficie expuesta de algn tipo de
recubrimiento, entre los que cabe mencionar una capa de pavimento o
laja (FIg 14).
fuente: Braja M, Das., Principios de Ingeniera de Cimentaciones
. En el caso de las subestructuras de puentes que sirven como obras
de paso para salvar cursos de agua. La socavacin total en el lecho
del ro se calcula sumando el resultado de la socavacin general del
lecho ms el obtenido de la socavacin local del mismo.
Socavacin General del Lecho.
Segn Braja M, Dasl a socavacin general del lecho se debe a un
aumento en la velocidad de la corriente, con lo que aumenta la
capacidad de arrastre de las partculas del fondo. Este fenmeno
ocurre durante las avenidas y slo cuando la velocidad de la
corriente es mayor que la velocidad necesaria para erosionar el
suelo. 81 Braja M, Das
Cuando esto sucede, la socavacin es independiente de la
velocidad de la corriente (Fig 15).
FIG. 15 SOCAVACION GENERAL EN EL LECHO DEL RIO HS Ho SQ : HS -
HOBraja M, Das., Principios de Ingeniera de Cimentaciones .
El mtodo ms utilizado para determinar la socavacin general del
lecho es el de Lischtvan-Lebediev, el cual supone que una vez que
la velocidad de la corriente ha sobrepasado la velocidad erosiva,
la socavacin depende nicamente del tirante de aguas existente.
La expresin que calcula la profundidad del lecho despus de la
socavacin, segn Lischtvan-Lebediev 21/
Fuente: Braja M, Das., Principios de Ingeniera de Cimentaciones
.
Socavacin Local.
La socavacin Local se produce porque el obstculo que representa
la pila o el estribo al paso de agua, genera componentes verticales
de la velocidad que arrastran material del fondo. La socavacin se
presenta sin que haya avenidas. La socavacin local en estribos es
distinta a la socavacin local en pilas, por lo que los mtodos para
determinarlas difieren, tal como puede observarse a
continuacin.
Socavacin local en pilas.
El mtodo ms utilizado para determinar la socavacin local en
pilas es el de Laurson, el cual supone que la socavacin local
depende nicamente del tirante de agua despus de la socavacin
general y del ancho y orientacin de la pila.
La socavacin local S medida a partir del fondo, est definida por
la siguiente ecuacin.
Figura 15: proyeccin del ancho de la pila en la direccin de la
corriente
4 Socavacin local en estribos.
Para el estudio de este problema el mtodo recomendado es el de
K.F. Artamonov, Este tipo de erosin depende del gasto que
tericamente es interceptado por el estribo relacionado con el gasto
total que escurre por el ro, del talud que tienen los lados del
estribo y del ngulo que el eje longitudinal de la obra forme con la
corriente.
La profundidad de socavacin viene dada por la siguiente
expresin.
Figura 16: disposicin de estribosBraja M, Das., Principios de
Ingeniera de Cimentaciones .
Mtodos para Reducir la Socavacin.
1. Proteccin contra la socavacin local al pie de la pila.
Se pueden distinguir dos formas principales para reducir o
evitar la socavacin. La primera consiste en impedir que el cambio
en direccin de las lneas de corriente se produzca frente a la pila,
con lo que se reducen o suprimen los vrtices que se generan en las
esquinas. Esto se logra colocando aguas arriba de la pila un
obstculo, de tal manera que el efecto del obstculo combinado con el
de la pila se produzca al pie de esta una zona de depsito de
material. La segunda forma consiste en hacer que el fondo del cauce
alrededor de la pila resista la accin erosiva. Con este fin puede
sustituirse el material del fondo del 87 cauce adyacente a la pila
por otro ms resistente a la erosin, tales como bolsas, guijarros y
cantos rodados.
2. Proteccin contra la socavacin local al pie de los
estribos.
Para el caso de los estribos se pueden hacer una sustitucin del
material del lecho anloga a la descrita para las pilas, aunque es
una mejor solucin construir espigones que orienten el flujo de
agua, encauzndola de tal manera que no produzca erosin.