En esta segunda entrega del artículo sobre geotecnia y proyectos de puentes, Edinson Guanchez, Director del Máster Internacional en Proyectos y Construcción de Puentes de Zigurat, continúa su exposición hablando en primer lugar de la relación entre el comportamiento de la cubierta y los asentamientos de todo puente. Y es que los puentes con tramos continuos pueden ser sensibles a los efectos de los asentamientos diferenciales entre cimientos.

Además, los asentamientos totales y diferenciales calculados deben considerarse en relación con la calidad de la superficie de la carretera. Los puntos críticos son la unión entre el puente y los terraplenes de aproximación y las uniones entre vanos fijos y de enlace (Figura 9).

Es probable que la mayoría de los asentamientos debidos al peso de los pilares se completen antes de la construcción de la superestructura. En los casos en que el tablero y las vigas de soporte consisten en conjuntos de elementos prefabricados construidos a partir de las pilas, gran parte del asentamiento debido al peso muerto de la superestructura puede haber tenido lugar antes de la unión de los dos extremos de los voladizos.

Por otra parte, cuando la cubierta se construye in situ sobre soportes temporales, casi toda la carga muerta se aplica a los cimientos de forma instantánea a medida que se retiran los soportes. En el caso de cimentaciones extendidas sobre arcillas rígidas sobreconsolidadas, es típico que el asentamiento inmediato sea aproximadamente la mitad del total, lo que da margen para considerar el efecto del programa de construcción sobre la cantidad de asentamiento total y diferencial en cada etapa de la construcción.

Por último, los asentamientos a largo plazo debidos a la lenta consolidación de los suelos o a la fluencia en la roca pueden ser susceptibles de ser acomodados por la fluencia en la superestructura de hormigón armado o acero.

Figure 9: Proyectos de puentes. Examples of deck joints. (Figure 9a) Conventional bridges (left), (Figure 9b) Cable Stayed Bridge (right)

Diseño de cimientos para cargas sísmicas

Los códigos actuales requieren de un rendimiento específico del puente contra las fuerzas sísmicas. Para cumplir estos requisitos, el ingeniero estructural debe ser capaz de considerar la rigidez del sistema de cimentación del suelo para tener una respuesta más fiable de la estructura.

En esta fase se recomienda encarecidamente que tanto el ingeniero geotécnico como el estructural trabajen conjuntamente para determinar los parámetros que se han de considerar en el análisis dinámico. En la Figura 10, se muestra una representación típica de un modelo de puente utilizado para realizar un análisis dinámico.

La mayoría de los códigos sísmicos actuales, hay dos enfoques generales para evaluar la respuesta sísmica del puente; es decir, métodos basados en la fuerza o el desplazamiento. Según una amplia investigación, se ha demostrado que las metodologías de diseño basadas en el desplazamiento de los puentes se recomiendan especialmente para proyectos de puentes largos.

Figure 10: Two-span bridge subjected to longitudinal earthquake ground motion

Figure 11: Proyectos de puentes. Effects of foundation flexibility for a single column pier (Caltrans, 2013)

Sin embargo, en ambos casos será necesario tener en cuenta la rigidez dinámica y la amortiguación del sistema de cimentación del suelo para evaluar la respuesta global del puente, porque el sistema de cimentación del suelo será una importante fuente de disipación de energía para la estructura.

La información obtenida de los ensayos geofísicos será útil para caracterizar la respuesta dinámica del suelo, sin embargo, uno de los aspectos más importantes de este análisis es que el ingeniero de diseño podrá considerar los mecanismos de interacción suelo-estructura en la respuesta global del puente. La flexibilidad de los cimientos tendrá una influencia importante en el desplazamiento global de la estructura D (Figura 11).

Los terremotos pueden causar graves problemas de diseño para las pilas de aguas profundas porque las fuerzas ejercidas a alto nivel en la superestructura del puente, combinadas con las fuerzas en el cuerpo de la pila, tienden a producir altos momentos de vuelco a nivel de la base.

La masa de agua desplazada por el muelle debe añadirse a la masa del propio muelle, por lo tanto, la carga excéntrica en la base del muelle puede ser muy grande y podría necesitar una dimensión de base más grande para controlar la respuesta de los muelles delgados. La sacudida del suelo puede causar la licuefacción de los suelos granulares sueltos a medianamente densos. En algunos casos, para sostener el muelle pueden ser necesarios cimientos de pilotes o un tratamiento del suelo para densificar un depósito de suelo suelto. En las Figuras 12 y 13 se muestran algunos ejemplos de puentes sobre el agua.

Examples of bridges over water. Figure 12 ↖: Proyectos de puentes. Bridge of Azarquiel, Toledo, España Figure 13 ↗: Vasco da Gama Bridge, Lisbon, Portugal

 

Los cimientos pueden fallar de diferentes maneras, algunas de ellas por naturaleza geotécnica y otras estructurales (Figura 14), típicas cimentaciones extendidas y tapas de pilotes estructurales.

Los modos de falla son:

1. Fallo de cizallamiento unidireccional (fallo de cizallamiento del haz)
2. Cesión flexible del refuerzo (en la parte superior o en la parte inferior de la base o del capuchón)
3. Fallo en la cizalla de la articulación
4. El anclaje se retira, ya sea de la columna o de los montones
5. Fallo de los pilotes adyacentes, ya sea en compresión, tensión, flexión o cizallamiento

Y para los cimientos profundos, los modos típicos de fallo estructural incluyen:

1. Rendimiento de la flexión
2. La tensión cede
3. Fallo de cizalla
4. Fallo de anclaje/conexión (de pila a tapa o de eje a columna)

 

Figure 14: Typical failure mechanisms in piles and pile caps

Evitar que se produzcan fallos en los cimientos es uno de los preceptos del diseño de capacidad, por lo que en el diseño de capacidad protegida deben evitarse todos estos modos de fallo. Habrá algunas situaciones de diseño específicas en proyectos de puentes en los que se permite que los cimientos se muevan lateralmente con el fin de promover el efecto de balanceo, especialmente en el caso de las curvas y torres de gran altura, donde los cajones sobre el grupo de pilotes han sido una solución innovadora que se ha utilizado con éxito en varios proyectos importantes (Figura 15).

Figure 15: 1915 Çanakkale Bridge. e-mosty Magazine. Issue March 2019

 

Influencia de la socavación en el diseño de la fundación

Los tipos de cimientos que son susceptibles de ser socavados son generalmente cimientos profundos. Por lo tanto, una de las principales consideraciones es la identificación de las resistencias del suelo que probablemente se pierdan debido a dicha socavación. Éstas pueden incluir la resistencia pasiva alrededor de los capuchones de los pilotes y la resistencia en los tramos superiores de los pilotes donde el suelo puede haber sido removido.

También en los casos en que el suelo se retira alternativamente y posteriormente se vuelve a depositar alrededor de los cimientos, el diseñador debería considerar el uso de parámetros de rigidez y resistencia reducidos, ya que este suelo no se compactará alrededor de los cimientos.

Tal suelo tendrá una menor resistencia lateral inmediatamente después de que los cimientos se hayan hincado o colocado (Figura 16). La socavación se maneja a menudo como un caso secundario en el que los extremos de apoyo lateral alrededor de un cimiento se consideran en relación con los efectos de la carga del terremoto. Dado que el peor caso de socavación es en sí mismo un evento extremo y no es probable que ocurra simultáneamente con el terremoto de diseño, la condición de máxima socavación no suele combinarse con los efectos del terremoto.

Licuefacción y puentes

La licuefacción del suelo es un fenómeno en el que un depósito de suelo no cohesionado bajo el nivel freático pierde una cantidad sustancial de fuerza debido a las fuertes sacudidas del suelo por terremotos. La razón de la pérdida de fuerza es que los suelos no cohesivos tienden a compactarse durante las sacudidas de los terremotos y en los suelos saturados o casi saturados esta tendencia hace que la presión del agua de los poros en el suelo aumente.

Este aumento de la presión del agua en los poros causa, a su vez, una reducción de la fuerza del suelo y de la rigidez. La Figura 17 muestra el colapso del Puente Showa en el terremoto de Niigata, en Japón, en 1964, debido a la licuefacción inducida por la extensión lateral de las pilas del puente. Los suelos sin cohesión natural recientemente depositados (es decir, geológicamente jóvenes) y relativamente sueltos, y los rellenos sin cohesión no compactados o mal compactados son susceptibles de licuarse. Las arenas sueltas y las arenas limosas son particularmente susceptibles.

Los limos sueltos de baja plasticidad y algunas gravas también tienen potencial de licuefacción. La licuefacción ha sido quizás la causa más importante de los daños geotécnicos en los puentes causados por los terremotos del pasado.

La mayor parte de estos daños se han relacionado con el movimiento lateral del suelo posterior a la licuefacción en los estribos de los puentes. Sin embargo, también se han producido casos de pérdida de los soportes de apoyo laterales y verticales de los cimientos de los pilares de los puentes. Un importante caso de licuefacción en puentes es el desplazamiento lateral que se produjo en el lugar del puente de la carretera de aterrizaje durante el terremoto Mw 6,3 Edgecumbe (Nueva Zelandia) en 1987.

Figure 16: Components of Scour Affecting Bridge Supports on Deep Foundations

Figura 17: Collapse of the Showa Bridge in the 1964 Niigata, Japan Earthquake.     Figure 18: Landing Road Bridge Lateral Spread (Keenan, 1996)

Una capa de arena suelta licuada de 4 metros de espesor se movió unos 2 metros hacia el río, arrastrando una capa de limo arcilloso no licuado de 1,5 metros de espesor. Después del terremoto, el suelo se amontonó detrás de los muelles en lo que aparentemente fue un fallo pasivo. Las zanjas subsiguientes encontraron superficies de falla y masas de tierra de falla perturbadas que confirmaron la ocurrencia de la falla pasiva en la corteza no licuada al ser impulsada contra los muelles enterrados y el casquete de pilotes.

Se comprobó que las fuerzas pasivas eran del orden de 10 veces la fuerza de arrastre estimada ejercida sobre el grupo de pilotes por la arena licuada (Berrill et al., 1997). Las grietas en los pilotes sugerían que las bisagras de plástico en los pilotes estaban a punto de formarse, como se muestra esquemáticamente en la Figura 18.

Referencias:
1. LRFD Seismic Analysis and Design of Transportation Geotechnical Features and Structural Foundations.
U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration. Publication No. FHWA-NHI-11-032.
(August 2011)
2. Seismic Design Criteria. (Caltrans, 2013).
3. Drilled Shafts: Construction Procedures and LRFD Design Methods. U.S. Department of Transportation.
Federal Highway Administration. Publication No. FHWA-NHI-10-016. (May 2011)
4. Geotechnical Engineering Circular No. 6. U.S. Department of Transportation. Federal Highway
Administration. Publication No FHWA-SA-02-054. (September 2002).
5. Foundation Design and Construction. M.J Tomlinson. London, UK. Seventh Edition. (2001).
6. Calculation Report and Drawings. Bridge Project “Avenida Las Ferias” designed by Sísmica. C.A.
Valencia, Venezuela (2015).
7. e-mosty Magazine. March 2019. https://e-mosty.cz/multiple-span-and-long-span-bridges/

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