En este artículo, que vamos a estructurar en dos entregas, vamos a dar una breve reseña de algunos aspectos que deben ser considerados en un proyecto de construcción de un puente desde el punto de vista geotécnico.

Para un ingeniero geotécnico, enfrentarse a un nuevo proyecto constructivo de un puente se presenta siempre como un gran desafío. Entre otras cosas, por la existencia de una fuerte relación entre la respuesta estructural del puente y las características geotécnicas del lugar donde este se encuentra.

El ingeniero geotécnico debe considerar con precisión las características y etapas del proceso de construcción que se llevará a cabo a lo largo del proyecto. Elegir un tipo de cimentación determinado para una estructura de puente no siempre será una tarea sencilla porque hay diferentes aspectos que deben considerarse en conjunto en el proyecto.

La respuesta de base de un puente segmentario no será la misma que la de un puente atirantado o un puente integral, porque según el efecto de cada conjunto de cargas activas en cada fase en conjunción con sus características estructurales, habrá una respuesta específica del puente.

Es importante destacar que el ingeniero estructural y el geotécnico deben ser capaces de trabajar juntos para satisfacer los requisitos del proyecto en su conjunto. Un buen ejemplo de integración entre estructura, geotécnica y arquitectura es el ‘Puente de La Salve’ en Bilbao, España. Este puente, que sirve como una ruta hacia la ciudad de Bilbao, se mezcla e integra perfectamente con el Museo Guggenheim (Figura 1).

Figure 1: La Salve Bridge. Bilbao, España

Diseño en la fundación en un proyecto de puentes

Según la condición geotécnica, las cargas, el tipo de estructura, la sismicidad y los requisitos de rendimiento, habrá algunas configuraciones típicas de cimientos que podrían utilizarse en un proyecto de puentes (Figura 2).

Figure 2: Typical Structural Forms for Bridge Foundation Systems

Para comprender mejor la relación entre la respuesta estructural del puente y la condición geotécnica, examinemos algunos aspectos que deben tenerse en cuenta al seleccionar un sistema de cimentación del suelo para un proyecto de construcción de un puente.

Ubicación y tipo de estructura

El ingeniero de puentes tiene un mayor abanico de posibilidades para la elección del diseño de los cimientos, en comparación con otros tipos de estructuras y, a menudo, puede dictar la magnitud de la carga de los cimientos eligiendo la longitud del vano para que se adapte a las condiciones topográficas y geológicas.

Una «regla empírica» típica (según el alcance del proyecto) es proporcional a la longitud del vano, de forma que el coste de los cimientos equilibre aproximadamente el coste de la superestructura del puente.

En la mayoría de los casos, el ingeniero del puente tiene pocas posibilidades para elegir la ubicación de la estructura y así aprovechar las buenas condiciones del terreno. Por ejemplo, los puentes de autopistas o ferrocarriles se ubican para adaptarse a las conexiones con las infraestructuras ya existentes y, las localizaciones de los puentes sobre el agua se escogen para dar la menor longitud de cruce. De igual modo, hay otros sitios en los que el las vías fluviales se han estabilizado gracias a las características artificiales.

Magnitud y distribución de las cargas

Las cargas de los cimientos de los puentes son muy diferentes a las que se encuentran típicamente en los edificios. Las cargas impuestas pueden ser dominantes y pueden llegar a ser hasta la mitad de la carga muerta de los puentes de carretera y hasta dos tercios de la carga muerta de los puentes de ferrocarril.

Las cargas impuestas por el tráfico son cargas en movimiento y pueden ejercer considerables fuerzas de tracción longitudinal en el tablero del puente. Las fuerzas longitudinales también son causadas por la contracción y los cambios de temperatura en el tablero del puente, mientras que las fuerzas transversales pueden ser causadas por cargas de viento, arrastre de corriente, fuerzas de las olas y colisiones de barcos en el caso de ríos o cruces de estuarios.

Por otra parte, las fuerzas sísmicas pueden ser transmitidas por el suelo a los soportes del puente desde cualquier dirección, y pueden ser críticas para las estructuras de alto nivel o para los muelles en aguas profundas donde la masa del agua desplazada debe añadirse a la del cuerpo del muelle.

Además de las cargas de trabajo del tráfico, podría haber una rápida aplicación de la carga a los cimientos en la etapa de construcción, por ejemplo cuando se ensamblan banos completos a nivel del suelo y se levantan o enrollan en su lugar a los muelles.

Los cimientos de los pilares intermedios de los puentes en tierra firme deben soportar las fuerzas de las siguientes causas:

Carga muerta por el peso propio de los muelles, vigas, cubierta, pavimentos y servicios.
Cargas impuestas por el tráfico (combinaciones de tramos cargados y descargados).
Fuerzas de tracción del tráfico, longitudinal al eje del puente.
Fuerzas longitudinales en la parte superior del muelle por los efectos de la contracción, la temperatura y el deslizamiento en la superestructura.
Fuerzas longitudinales, transversales y verticales del viento y los terremotos.
Presión horizontal desigual de la tierra (para muelles en terrenos inclinados o por la sobrecarga de un terraplén adyacente).
Impacto de la colisión de vehículos.

Aspectos del diseño

Para llevar a cabo un diseño típico de cimentación, el ingeniero geotécnico se encargará de estimar la capacidad vertical y lateral del sistema de cimentación del suelo de acuerdo con la información obtenida del informe geotécnico, y de utilizar expresiones o correlaciones bien conocidas para estimar la resistencia de la cimentación basada en métodos analíticos o utilizando expresiones semi-empíricas derivadas de ensayos de campo (SPT, CPT, DMT, etc).

A menudo se piensa que las únicas soluciones de sistemas de cimentación disponibles para las estructuras de puentes son los grupos de pilotes, los pilotes doblados o los cajones. A pesar de que estos tipos de cimientos se consideran la solución preferida para condiciones geotécnicas complejas, existen varias experiencias documentadas de proyectos de puentes apoyados en cimientos poco profundos (Report FHWA-SA-02-054).

Sin embargo, en varios casos estas soluciones se combinan con técnicas de mejora del suelo antes de la construcción, con el fin de alcanzar la capacidad de sustentación requerida del sistema de fundación del suelo.

Figure 4: Bridge “Avenida Las Ferias”. Valencia, Venezuela (2015). (Piles subjected to lateral forces. Maximum
depth 19 meters). 4.a) Placing of reinforcing steel cage for shafts. 4.b) Results of typical response of shafts
against lateral forces.

En el caso de las cimentaciones por pilotes hay otros aspectos que deben tenerse en cuenta, por ejemplo: la longitud, la capacidad de punta y de la piel, la resistencia a la caída, la respuesta lateral, el efecto de grupo contra las cargas verticales y laterales, la relación entre la rigidez y el tampón del pilote, la influencia de los efectos de la licuefacción, entre otros.

Cuando las curvaturas son soportadas por un solo montón será extremadamente importante tener una estimación precisa del comportamiento del mismo contra las cargas laterales y de momento. La aproximación de las curvas p-y es extremadamente útil para estimar la respuesta lateral de los pilotes. Además, en los últimos años se han desarrollado varias herramientas computacionales para llevar a cabo este tipo de análisis.

Un ejemplo de pilotes cargados lateralmente se muestra en las Figuras 3 y 4 (Puente «Avenida Las Ferias», 2015). En este proyecto, los pilotes fueron diseñados para cargas verticales y laterales con el fin de soportar las cargas típicas de un puente, por ejemplo, cargas muertas, vivas, de tráfico y sísmicas.

El diseño geotécnico y estructural de los grupos de pilotes para pilares y estribos se llevó a cabo siguiendo los requisitos del Puente LRFD de la AASHTO (Categoría de diseño sísmico D). Las soluciones de grupos de pilotes deben considerarse en los casos en que las cargas de los cimientos hacen que los cimientos de un solo eje sean inusualmente grandes y particularmente costosos. Como se ilustra en la Figura 5, los grandes momentos de vuelco se resisten más eficazmente utilizando grupos de pilotes debido a la eficiente resistencia de momento producida por la resistencia axial de los pilotes ampliamente espaciados dentro de un grupo. Debido a la necesidad de equipamiento grande y pesado para instalar cimientos de pilotes individuales de más de 2,40 metros de diámetro, los grupos de pilotes de menor diámetro pueden ser más rentables en muchas circunstancias.

Figure 5: Group versus Single Shaft

Los cimientos en grupo son menos ventajosos cuando el coste o la dificultad de la construcción de un pilecap puede ser significativo. En el caso de los cimientos sobre el agua, la construcción de la tapa puede ser un gasto importante y llevar más tiempo. Además, la socavación puede ser menos severa con una huella más pequeña de un solo pozo en comparación con un grupo.

En espacios reducidos, la secuencia de las operaciones de construcción debe planificarse de manera que se evite la posibilidad de comunicación entre los pozos durante la excavación y la colocación del hormigón. El adelanto de un encofrado antes de la excavación para evitar una reducción de la tensión lateral y/o el aflojamiento del suelo alrededor de los pilotes es un medio de evitar estos efectos adversos en algunos tipos de materiales.

En cualquier caso, los efectos de grupo deben considerarse en un espaciamiento de centro a centro de menos de 4 diámetros para la resistencia axial y menos de 5 diámetros para la resistencia lateral. (El espaciamiento definitivo entre centros será según el tipo de suelo y el mecanismo de transferencia de la carga del grupo de pilotes).

En la Figura 6 se muestra una solución de grupo de pilotes para un proyecto de puente (Puente «Avenida Las Ferias”, 2015). El espaciamiento típico entre centros para estos pozos era de entre 2,5D y 3D, por lo que se requería estimar un factor de eficiencia contra las cargas verticales y laterales siguiendo los requisitos del Puente LRFD de la AASHTO para estimar la capacidad real de los pozos afectados por los efectos de grupo.

Figure 6: Bridge “Avenida Las Ferias”. Valencia, Venezuela (2015). (Details of shaft groups subjected to vertical and lateral forces.
Typical Diameter = 1.3 m). 5.a) Drawings of pile groups for abutments (10 shafts). 5.b) Drawings of pile groups for piers (15 shafts).

Evaluación de los acuerdos globales y diferenciales

El ingeniero geotécnico debe tener una descripción detallada de las características de cada etapa de construcción. Según el patrón de carga habrá una respuesta diferente en la subestructura del puente en cada fase.

La relación entre las fuerzas axiales y de flexión variará a lo largo de la construcción del puente, por tanto, haber estimado la magnitud de estas variables en cada fase será vital para controlar la estabilidad de los cimientos.

Para ilustrar la relación entre las fases de construcción y la respuesta geotécnica, describamos un ejemplo del comportamiento de los cimientos en términos de asentamientos para una secuencia típica de construcción en un proyecto de puente en voladizo de 40 metros de luz. Cada pilar se apoya en una franja de cimentación en condiciones geotécnicas variables.

La viabilidad de limitar el asentamiento diferencial del tablero del puente es posible en este caso mediante la obtención de información detallada de las variaciones de la densidad del suelo en varios puntos a lo largo de la ubicación del viaducto, y mediante la nivelación precisa de los pilares y cojinetes a intervalos durante la construcción. Sabiendo que el muelle B se había asentado en 8 mm cuando sólo se había completado el 50%, en comparación con un asentamiento final de 1 mm después de completar el muelle A, el cojinete del muelle B se fija 10 mm de altura después de completar el muelle.

Luego, cuando los voladizos sobre ambos pilares están terminados, en la etapa 4, el asentamiento diferencial entre los cojinetes del puente es de 20 mm en comparación con 30 mm entre los pilares (Figura 7).

Figure 7: Total and differential settlements of continuous girder bridge during construction. (First Stages)

Los dos voladizos adyacentes se unen en esta etapa. Después de esto, sólo la carga muerta del tablero a corto plazo y la carga impuesta a largo plazo causan el asentamiento diferencial del tablero combinado y las vigas entre los cojinetes.

A corto plazo, se calcula que este movimiento diferencial es de 15 mm (etapa 5) y a largo plazo es de 25 mm (etapa 6) en comparación con un asentamiento diferencial final entre los cimientos del muelle de 60 mm.

Finalmente, se informa de una distorsión angular de 1 en 1600 estimada a partir del movimiento diferencial entre los cojinetes de la cubierta (25 mm). El ingeniero del puente debe ser el encargado de validar si este movimiento diferencial podría acomodarse en la superestructura del puente de hormigón armado (Figura 8). Es importante destacar la dificultad de hacer pronósticos precisos de los asentamientos en condiciones de suelo variables.

Sin embargo, trabajando a través de las etapas de construcción, el diseñador del puente puede obtener una estimación razonablemente cercana del asentamiento diferencial máximo que se experimentará en los tramos del puente a lo largo de la vida de la estructura.

La reducción al mínimo de los efectos del asentamiento diferencial puede simplificarse enormemente si es posible elevar las vigas y ajustarlas al nivel antes de unirlas.

Figure 8: Total and differential settlements of continuous girder bridge. (Last stages and in long term)

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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