PROYECTO ILUSTRATIVO - PILA DE PUENTE

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.

En la Hoja 1 del problema 24-2 se muestra una pila tipica para un ferrocarril de una sola via, con carga E-72. La separación transversal de las trabes y las dimensiones de las placas de base para las zapatas del puente, determinan el tamaño de la corona del cuerpo de la pila. Se proporcionan las fuerzas que deben considerarse en el análisis y proyecto de la estructura; el estudio de las bases para determinar la magnitud de cada fuerza queda fuera del campo de este texto.

Por lo tanto, los cálculos se limitan principalmente a los necesarios para determinar las reacciones criticas de los pilotes y para evaluar las presiones Contra la base de la pila, sin considerar los pilotes. El número de pilotes y las dimensiones de la base, usualmente se determinan por tanteos. Los cálculos de la hoja 2 demuestran que las cargas que resultan de la tracción, cabeceo, y viento son responsables de casi el 50 por ciento de la reacción total del pilote más cargado. Por lo tanto, el número total de pilotes necesario es considerablemente mayor que el determinado dividiendo la carga vertical total por la capacidad permisible de un pilote. Las cargas verticales en los pilotes se encuentran por medio de la ec. 24.11; debe notarse que el cálculo del momento de inercia del grupo de pilotes, se simplifica mucho usando la ec. 24.12. En la Hoja 3, la distribución de la presión debajo de la base, si no se usan pilotes, se determina por medio de la ec. 24.7.

 

Como se indica en la Hoja 1, la mayor parte de las cimentaciones piloteadas para pilas de puente contienen algunos pilotes inclinados, para dar más estabilidad contra las fuerzas horizontales. Sin embargo, los cálculos relacionados con esta fase del proyecto se han omitido, debido a que el análisis de las cimentaciones con pilotes inclinados se explica en el art. 26.8, como parte del estudio de los muros de contención apoyados en pilotes.

No se da el proyecto estructural completo de la base, porque la elección de las secciones criticas y los cálculos posteriores tendrían que duplicar mucho del material que contienen problemas anteriores. El cálculo del cuerpo de la pila se omite también, porque esta fase del proyecto es exclusivamente problema de análisis de concreto reforzado. Por lo tanto, las reacciones de los pilotes y las presiones que resultan en el suelo por las cargas multiplicadas por los factores de carga no se han calculado.

PROYECTO ILUSTRATIVO: PILA SOBRE ROCA.

En este problema se ejemplifica el uso del DCR para determinar las dimensiones de las pilas o de las zapatas en roca. Se ha encontrado, extrayendo corazones de roca NX, que la formación es una secucncia de origen sedimentario de calizas y lutitas laminares. El suelo que la cubre es un depósito glacial. Como en la roca hay pocas evidencias de meteorización aun en su superficie, se presume que la parte me— teorizada fue removida por la glaciación.

El tamaño que es necesario dar a la pila, disminuye con la profundidad debido a que la calidad de la roca mejora. Elljase una zapata cuadrada de 1.80 m de lado en la El. 149.35, o cuadrada de 1.20 de lado en la El. 147.83, lo que se definirá con criterio económico.

El costo de la excavación adicional en la roca, probablemente excederá al ahorro en costo de una pequeña cantidad de concreto en la pila. Por lo tanto, se elige la pila mayor a una elevación mayor como el mejor proyecto6 Además, la carga se transmitirá de la columna a la pila por medio de una base formada por una placa de acero. Si la placa tiene aproximadamente las mismas dimensiones en planta que la pila, y si la presión de apoyo en el concreto se limita a O. 375f’c, los valores que se requieren para y para las pilas en las elevaciones 149.35 y 147.83, son 56.3/0.375 = 150 kg/cm2 y 133.6/0.375 = 356 kg/cm2, respectivarnente. Por lo tanto será necesario usar concreto de alta resistencia para la pila menor; generalmente se evita el uso de este concreto por las condiciones desfavorables que probablemente prevalezcan en el colado dentro de las excavaciones para cimentación.

Se observará que las presiones admisibles en muchos reglamentos de construcción, como las que se dan en la lista de la Tabla 22. 1. son menores que las determinadas en  el problema 22-1. Los valores del reglamemo. aún después de considerar las concesiones hechas por la longitud de empotramiento, son generalmente superconservadores. Algunos reglamentos permiten valores más elevados que los tabulados si se hace una investigación adecuada, pero cuando no existe esta salvedad, los valores consignados en el reglamento pueden regir el nroyecto.

Fustes o Cuerpos de las Pilas.

Las dimensiones de la parte superior del cuerpo de una pila para un puente están determinadas por consideraciones practicas, como la magnitud de las reacciones en los apoyos, la distancia necesaria para la dilatación de la superestructura y la distancia entre armaduras o trabes. Frecuentemente, las pilas llevan en la parte superior, una corona que sobresale 15 cm de las aristas del cuerpo. Si la pila atraviesa una masa de agua, su forma debe hacerse aerodinámica abajo del nivel de las aguas máximas para evitar la formación de remolinos y la socavacion.

En las grandes latitudes, el tajamar de aguas arriba puede estar provisto de una arista inclinada para levantar y romper los bloques de hielo. Por cuestión de apariencia, algunas veces se da al cuerpo de las pilas un ligero escarpio.

Las pilas llenas, (fig. 14. 1a), se usan comúnmente en los puentes para ferrocarriles. Las dobles (figs. 14.lb y 14.lc) se adoptan para los puentes de las carreteras, aunque las del tipo b se usan también para ferrocarriles. Las pilas en T, (fig. 14.ld) son uno de los varios tipos que se usan para evitar los claros esviajados al pasar sobre vías de ferrocarril o carreteras.

Figura 14.1 Pilas de subestructura típica para puentes de ferrocarril y de carretera a) Pila llena b) y c) De dos cuerpos d) En forma de T.

La mayor parte de los puentes modernos son de concreto reforzado. Como protección contra lo elementos, algunas veces se usa un recubrimiento de mampostería, especialmente cerca de la superficie del agua.
Aunque las pilas de subestructura comúnmente se consideran como parte de la  misma, no son parte de la cimentación en el sentido de que su proyecto requiera considerar las propiedades de los materiales del subsuelo. Por lo tanto, ya no se considerarán más en este texto.

Pilas Construidas en Perforaciones Ademadas y en Perforaciones Cilíndricas.

En otro tiempo se usaron perforaciones excavadas a mano con ademe de madera y todavía pueden usarse con ventaja, especialmente en las recimentaciones. El método mejor conocido se originó en Chicago en 1892 (General Wm. SooySmith, Stock Exchange). Es particularmente adecuado para arcillas sin inclusiones de agua. En el método de Chicago, se hace una perforación circular de cuando menos 1 m de diámetro, a mano, con una profundidad que varía de 0.5 a 2 m, lo que depende de la consistencia de la arcilla. Se ademan luego las paredes del agujero con tablas verticales, conocidas como forro. El forro se mantiene en su sitio por medio de dos anillos circulares de acero (fig. 13.1). Luego se continúa la excavación, hasta que se instalan otras tablas de forro y anillos. Cuando el agujero llega al estrato en el que se van a apoyar las cimentaciones, puede ampliarse el fondo o acampanarse para aumentar el área de apoyo. Los anillos y las tablas del forro se dejan en su lugar cuando el agujero se llena de concreto.
En Kansas City desde 1890, se construyeron pilas de cimentación con profundidades mayores de 15 m y de 1.40 de diámetro que atravesaron material de relleno y arcilla hasta una caliza; se construyeron en perforaciones hechas con herramientas mecánicas y ademadas (L. Curtis, City Hall). En el siguiente medio siglo, se hicieron intentos semejantes, pero en la actualidad, la mayor parte de las pilas que pasan a través o penetran en suelos cohesivos, se excavan por medio de máquinas montadas en camiones o en orugas (fig. 13.2), equipadas con barrenas rotatorias o cangilones provistos de cuchillas. Por medio de este procedimiento se han hecho agujeros de 0.30 a 3.50 m, a profundidades que sobrepasan los 30 m. Existen varios aditamentos para ampliar los fondos de las excavaciones en suelos duros, o para perforar en la roca. Cuando las perforaciones se llenan directamente de concreto, se llaman pilas coladas en el lugar sin moldes.

Figura 13.1 Método Chicago para hacer excavaciones para pilas.

Si las condiciones del subsuelo son tan desfavorables que no permitan la instalación de cimientos por cualquiera de los métodos descritos en los párrafos anteriores, pueden instalarse tubos de acero de gran diámetro por un procedimiento en que se combinen los mctodos de hincado de pilotes y los de excavación abierta. Los tubos se hincan con los extremos abiertos, unos cuantos metros cada vez y se limpian por medio de chorros de aire, de agua, o herramientas de cable semejantes a las que se usan en la perforación por percusión. Estas perforaciones casi siempre se llevan hasta la roca. Comúnmente se continúan algo en ella por percusión o por rotación, antes de limpiar finalmente el  agujero y de llenarlo con concreto. Las pilas formadas por este método son caras, pero usualmente pueden soportar cargas muy elevadas y ser instaladas en casi todas las condiciones del subsuelo. El desarrollo de las pilas de tubo de gran diámetro, ha reducido mucho los casos en que podrían haberse empleado los métodos con aire comprimido.

Figura 13.2 Perforadora montada en orugas sacudiendo el suelo de la barrena después de haber excavado un agujero de 1.2m de diámetro.

Pilas: Métodos de construcción.

Generalidades. Los métodos para construir pilas se dividen en dos grupos principales. En uno, se excava un agujero hasta el nivel de desplante de la cimentación y se construye la pila dentro del mismo. Usualmente, los lados de la excavación deben ademarse y apuntalarse para evitar el derrumbamiento. Estas perforaciones se dicen ademadas o entibadas, lo que depende de que el ademe se forme con forros metálicos cilindricos o sea de tableros o de tablestacas. Algunas veces, se estabiliza la perforación por medio de un liquido espeso en vez de ademe. Si la superficie del Lerreno está debajo del agua, la estructura que encierra el terreno que va a ocupar la pila se llama ataguía. Bajo la protección de la ataguía se hace la excavación hasta el nivel deseado y se construye la pila.

El otro método para construir pilas es utilizando cajones. Los cajones son cajas o cilindros que se hincan hasta su posición y constituyen la parte exterior de la pila de cimentación terminada. Para facilitar el hincado, el borde inferior del cajón está provisto de una cuchilla. El material que está dentro del cajón se extrae por dragado a través de la abertura en su extremo superior, o excavando a mano. El extremo inferior del cajón puede construirse formando una cámara hermética y Ilenarse con aire comprimido para expulsar el agua de un espacio en el que los obreros puedan trabajar. Este procedimiento se conoce con el nombre de método del aire comprimido y permite quitar los obstáculos que quedan debajo de la cuchilla y facilita la limpieza del fondo de la excavación. Sin embargo, es un riesgo para la salud de los trabajadores y debe evitarse cuando sea posible.

Pilas de Cimentación.

En la ingeniería de cimentaciones el término pila tiene dos significados diferentes. De acuerdo con uno de sus usos, una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple una zapata, es decir, transmitir la carga a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni de que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad de la cimentación al ancho de la base de las pilas es usualmente mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es comúnmente menor que la unidad.

De acuerdo con su segundo uso, una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente. Usualmente, la pila sobresale de la superficie del terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición, puede considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada en una cimentación adecuada. Para evitar confusión, se usará el término de cuerpo de la pila para la parte que queda arriba de la cimentación. La base de ese cuerpo puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar apoyada en pilotes, o sobre  varias pilas de cimentación, como se definió en el párrafo anterior.

Un cuerpo de pila, situado en el extremo de un puente y sujeto al empuje de la tierra, se denomina un estribo.

No existe una clara diferencia entre las pilas de cimentación y los pilotes. Los tubos de acero de gran diametro que se hincan con el extremo inferior abierto, que se limpian después y se llenan de concreto, pueden en realidad considerarse como pilas o como pilotes. Los mismos tubos pueden considerarse como ademes o como cajones o cilindros de cimentación. La terminologla a este respecto difiere mucho en las diferentes localidades.

Pilas de Cimentacion - Métodos de Construcción.

Generalidades.
Los métodos para construir pilas se dividen en dos grupos principales. En uno, se excava un agujero hasta el nivel de desplante de la cimentación y se construye la pila dentro del mismo. Usualmente, los lados de la excavación deben ademarse y apuntalarse para evitar el derrumbamiento. Estas perforaciones se dicen ademadas o entibadas, lo que depende de que el ademe se forme con forros metálicos cilíndricos o sea de tableros o de tablestaca . Algunas veces, se estabiliza la perforación por medio de un líquido espeso en vez de ademe. Si la superficie del terreno está debajo del agua, la estructura que encierra el terreno que va a ocupar la pila se llama ataguía. Bajo la protección de la atagula se hace la excavacion hasta el nivel deseado y se construye la pila.

El otro método para construir pilas es utilizando cajones. Los cajones son cajas o cilindros que se hincan hasta su posición y constituyen la parte exterior de la pila de cimentación terminada. Para facilitar el hincado, el borde inferior del cajón está provisto de una cuchilla. El material que está dentro del cajón se extrae por dragado a través de la abertura en su extremo superior, o excavando a mano. El extremo inferior del cajón puede construirse formando una camara hermetica y llenarse con aire comprimido para expulsar el agua de un espacio en el que los obreros puedan trabajar. Este procedimiento se conoce con el nombre de método del aire comprimido y permite quitar los obstáculos que quedan debajo de la cuchilla y facilita la limpieza del fondo de la excavación. Sin embargo, es un riesgo para la salud de los trabajadores y debe evitarse cuando sea posible.

Pilas de Cimentación: Definiciones.

Definiciones

En la ingeniería de cimentaciones el término pila tiene dos significados diferentes. De acuerdo con uno de sus usos, una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple una zapata, es decir, transmitir la carga a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni de que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en contraste con una zapata, la relación de la profundidad de la cimentación al ancho de la base de las pilas es usualmente mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación es comúnmente menor que la unidad.

De acuerdo con su segundo uso, una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente. Usualmente, la pila sobresale de la superficie del terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición, puede considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada en una cimentación adecuada. Para evitar confusión, se usará el término de cuerpo de la pila para la parte que queda arriba de la cimentación. La base de ese cuerpo puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar apoyada en pilotes, o sobre  varias pilas de cimentación, como se definió en el párrafo anterior. Un cuerpo de pila, situado en el extremo de un puente y sujeto al empuje de la tierra, se denomina un estribo.

No existe una clara diferencia entre las pilas de cimentación y los pilotes. Los tubos de acero de gran diametro que se hincan con el extremo inferior abierto, que se limpian después y se llenan de concreto, pueden en realidad considerarse como pilas o como pilotes. Los mismos tubos pueden considerarse como ademes o como cajones o cilindros de cimentación. La terminologla a este respecto difiere mucho en las diferentes localidades.