Pilares en puentes: tipos y consideraciones de diseño
Después de leer este artículo, conocerá los tipos y las consideraciones de diseño de los pilares en los puentes.
Tipos de pilares para puentes:
Se puede utilizar mampostería de ladrillo o piedra, concreto en masa o concreto reforzado en la construcción de pilares. Los tipos de pilares generalmente adoptados en puentes de carretera se muestran en la Fig. 19.2. En los cimientos de balsas abiertas, comúnmente se utilizan pilares de mampostería o hormigón en masa que proporcionan el peso muerto para la estabilidad de dicha estructura.
Los pilares de caballete de pila son pilares de tipo abierto en los que el relleno no se retiene por los pilares, pero se permite que se derrame a través de los espacios del caballete y se forma un terraplén inclinado frente al pilar.
El terraplén inclinado está protegido por ladrillos o rocas que se desprenden de los daños causados por las corrientes de agua. Este tipo de contrafuertes tiene la ventaja de que no se requiere ninguna estructura especial, excepto la elevación de las pilas y la provisión de un tope de pila en la parte superior para soportar la superestructura. Se requiere que se provea una pared de tierra para evitar que la tierra o la tierra se derramen sobre los rodamientos.
Los pilares tipo contrafuerte son pilares de tipo cerrado que tienen algunas columnas o contrafuertes conectadas por una losa frontal en el frente. El espaciamiento de los contrafuertes es generalmente de 2, 5 a 3 metros.
La estabilidad de los pilares se mantiene por el peso propio y el peso de los materiales de relleno entre las matrices y por encima de la balsa de cimentación. La base abierta de balsas o pilotes o pozos es adecuada para este tipo de pilares.
Los pilares de tipo abierto con columnas RC (Fig. 19.2d) se prefieren cuando la altura de formación es muy alta. Con el fin de aliviar los pilares de la excesiva presión de la tierra, se permite que la tierra se derrame hacia el frente como en los pilares de caballete.
El espaciado de las columnas también es más o menos similar al espaciado de contrafuerte, es decir, de 2.5 a 3.0 metros. Se requiere una pared de pantalla de aproximadamente 1, 5 a 2, 5 metros de profundidad para conectar las columnas y colgar de la viga de cobertura.
La función de esta pared de pantalla es evitar el movimiento de la tierra desde el área superior justo detrás del pilar debido a sobrecargas, vibraciones, etc. Las bases requeridas para tal tipo de pilares son cimientos de pilotes o pozos. La fundación de la balsa puede ser posible si descansa sobre roca.
La ventaja del pilar de tipo abierto es que no son necesarias las paredes de ala o de retorno, pero la desventaja es que algunas vías navegables están restringidas por el terraplén inclinado frente a los pilares. Por otro lado, los pilares de tipo cerrado requieren paredes laterales o paredes de retorno para la protección de la tierra, pero estos pilares aseguran más vías de agua que los pilares de tipo abierto.
Consideraciones de diseño de pilares para puentes:
Los pilares están sujetos a las siguientes cargas y fuerzas:
i) Peso propio de los pilares, incluido el peso de los materiales de relleno sobre los pilares.
ii) Carga muerta y viva de la superestructura: carga viva mínima para verificar la tensión y carga viva máxima para verificar la compresión máxima.
iii) Temperatura y efecto de tracción o frenado.
iv) Fuerza horizontal debida al viento en la superestructura.
v) Fuerza centrífuga si el puente está en una curva.
vi) Presión de tierra activa en la parte posterior, incluido el efecto de sobrecarga de carga viva Todos los pilares deben estar diseñados para un recargo por carga viva equivalente a 1, 2 metros de altura de la tierra.
vii) Fuerza sísmica.
La losa de recubrimiento para pilar abierto o contrafuerte debe diseñarse para cargas verticales y horizontales. Por lo general, las tapas de los pilares están sujetas a esfuerzos torsionales y se requiere un refuerzo torsional adecuado.
La presión de la tierra en las columnas para los pilares de tipo abierto debe tener en cuenta la acción del arco de la masa del suelo que ejerce presión. Normalmente, se supone un aumento de la presión de la tierra hasta el 100% en tales columnas de pilares.
Es muy importante verificar la estabilidad de los pilares en su conjunto con respecto al deslizamiento y al vuelco cuando estos pilares se basan en balsas abiertas. La tendencia de los pilares a deslizarse debido a la fuerza horizontal es resistida por µV, donde p. es el coeficiente de fricción entre el suelo y la base de la cimentación y V es la carga vertical total sobre la cimentación.
Debe permitirse un factor de seguridad adecuado contra fallos. Sea H la fuerza de deslizamiento horizontal total y V la carga vertical total. Para la estabilidad,
El valor de µ se toma igual a tan θ = tan. 20 °. Del mismo modo, debe haber un margen de seguridad suficiente contra el vuelco de los pilares en su conjunto sobre el dedo del pie. Esto puede ser dado por,
En los pilares altos de tipo cerrado, la presión total de la tierra en las paredes es comparativamente en el lado alto y, por lo tanto, solo la fricción de la base µV puede no ser capaz de resistir el deslizamiento de los pilares. En tales casos, la llave de corte como se muestra en la Fig. 19.3 se usa para aumentar la resistencia al deslizamiento. La presión de tierra pasiva frente a la llave de corte se aprovecha para este propósito.
Algunas autoridades recomiendan que la resistencia pasiva se pueda calcular tomando el módulo de reacción de subrasante horizontal como 0.7 veces la vertical. La resistencia pasiva ofrecida por la tierra en frente de las paredes también puede aprovecharse si está bien compactada en el suelo virgen y no se aprehende la posibilidad de desgarrar la tierra en frente.
La teoría de la presión de la tierra y el diseño del tipo de gravedad o las paredes del tipo de contrafuerte se pueden encontrar en cualquier libro sobre Teoría de las Estructuras y, por lo tanto, no se trata aquí. Los pilares de tipo abierto se pueden diseñar de la manera que se indica a continuación.
Las paredes de la pantalla son continuas sobre las columnas y se fijan en la parte superior con la tapa. Si se proporciona un amarre en la parte inferior, se puede suponer que la pared está simplemente apoyada, pero a veces la parte inferior se mantiene libre sin ningún tipo de soporte. En ese caso, el fondo se asume como voladizo libre.
La presión de la tierra en la pared de la pantalla se distribuye sobre ella en ambas direcciones teniendo en cuenta las condiciones de soporte. Las columnas están diseñadas con cargas verticales y momentos causados por la presión de la tierra y otras fuerzas similares a los miembros sometidos a empuje y flexión directa. La balsa de cimentación es una losa continua sobre los soportes de columna con presión del suelo por debajo y puede diseñarse como tal.
Efecto sísmico del relleno posterior sobre los pilares:
Durante las perturbaciones sísmicas, el material de relleno detrás de los pilares también vibra y, por lo tanto, ejerce una presión de tierra aumentada que puede calcularse como se detalla a continuación. Debido a la acción del terremoto que tiene un coeficiente sísmico, tanto el muro de apoyo como el relleno se suponen un desplazamiento imaginario de tan -1 n g (vide Fig. 19.4) y el peso unitario del relleno se incrementa multiplicando con un factor de
La presión de la tierra calculada por la teoría habitual con las modificaciones anteriores da como resultado un aumento del efecto debido a la perturbación sísmica en los materiales de relleno. Además del aumento de la presión de la tierra, el efecto sísmico sobre el pilar debe considerarse de la manera normal.
Ejemplo ilustrativo 1:
Calcule según la teoría de Coulomb el componente horizontal de la presión normal de la tierra y el efecto de terremoto en el relleno. Encuentre el porcentaje de aumento en la presión normal de la tierra cuando se considera el efecto sísmico en el relleno:
Por lo tanto, se observa que debido al efecto sísmico, la presión horizontal de la tierra aumenta en casi un 10 por ciento y un 20 por ciento cuando los coeficientes sísmicos son 0.05 y 0.10 respectivamente.
Recargo de carga en vivo:
Los pilares se diseñarán para un recargo por carga viva equivalente a 1, 2 metros de altura del relleno de tierra.
Agujeros de llanto:
En los pilares cerrados, se debe proporcionar un número adecuado de orificios de drenaje (Fig. 19.2) para drenar el agua acumulada en la parte posterior de los pilares, de lo contrario, el agua acumulada ejercerá una presión horizontal adicional sobre los pilares. Los orificios de drenaje se harán en un baño en el lado exterior para facilitar el drenaje.
La parte posterior de los orificios de drenaje debe estar debidamente embalada y protegida con materiales de filtro de diferentes tamaños, el tamaño más grande debe estar en contacto con la pared de modo que ni los materiales de relleno ni los materiales de filtro puedan salir a través de los orificios de drenaje. El tamaño de los orificios de drenaje puede tener una profundidad de 150 mm y un ancho de 75 mm, y la separación no debe exceder de un metro, tanto en dirección horizontal como vertical.
Materiales de relleno:
El relleno deberá ser de materiales granulares en la medida de lo posible. También se pueden usar suelos arenosos o sedimentos arenosos si no se dispone de materiales granulares. El contenido óptimo de humedad de tales materiales granulares debe estar entre 7 y 10. El material del filtro detrás de los orificios de drenaje.
si se utiliza en toda la zona posterior de los pilares, ayudará a un drenaje más rápido del agua acumulada y, como tal, la última provisión es mejor que la anterior, a saber. Uso de materiales filtrantes localizados justo detrás de los orificios de drenaje.
