La elección de los elementos de infraestructura depende de las cargas que
debemos descargar al suelo y de las características del suelo. En suelos arcillosos es usual emplear pilas coladas en el sitio, alcanzando usualmente capacidades de carga de entre 100 ton a 300 ton por pila y pudiendo emplear conjuntos de pilas en una fila, dos o más.
Si el elemento a emplear puede sufrir los efectos de la socavación es necesario considerar la posibilidad de emplear protecciones contra la socavación local.
75 Cuando los suelos son arenosos, generalmente al excavar se vuelven inestables y obliga al empleo de ademes o lodos bentoníticos para construir las pilas coladas in situ. Una opción en estos casos es el empleo de pilotes hincados a golpes o
cilindros de cimentación.
Si existen boleos medianos y grandes hay que descartar el empleo de las pilas coladas in situ, debido a la alta probabilidad de que al perforar se encuentren con estos boleos que impidan el avance de la perforación.
Los cilindros se emplean solos o en conjuntos para trasmitir grandes cargas por punta al suelo en sus estratos resistentes inferiores.
Si se desea desplantar sobre suelos por fricción, los pilotes hincados a golpes pueden ser la mejor opción, aunque se limitan debido a las bajas cargas que uno puede aplicar sobre ellos de manera segura (entre 30 a 100 ton por pilote).
76 UNIDAD 5. DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES.
5.1 Diseño de elementos de infraestructura. 5.1.1. Pilotes.
Se diseñan en su parte enterrada y que no vaya a quedar expuesta por la socavación, como columnas cortas, considerando el soporte lateral que les brinda el terreno. Es conveniente calcular los momentos y fuerzas cortantes máximos que vaya a soportar este tipo de elementos como resultado de su interacción con el suelo, pudiendo emplear modelos de interacción simples como los resortes equivalentes de winkler o bien fórmulas deducidas de consideraciones elásticas. De cualquier manera se debe proceder de modo prudente dado que a menudo las condiciones supuestas en ele análisis y diseño pueden diferir grandemente de la realidad dada la enorme complejidad de los procesos que ocurren en los suelos. Se considera en estos elementos su capacidad para trasmitir las cargas al suelo por fricción y punta, disminuyendo la participación de la fricción si se han efectuado perforaciones previas.
5.1.2. Pilas coladas in situ.
El cálculo de estos elementos es en todo semejante al de los pilotes hincados a golpes, con la diferencia de que es conveniente despreciar la capacidad de trasmitir las cargas al suelo por fricción. Para los cálculos de resistencia es conveniente emplear el método de Factores de Carga, siguiendo las Normas de la SCT y los principios básicos de diseño de las columnas de concreto reforzado.
5.1.3. Cilindros.
En estos elementos de gran diámetro, los efectos de esbeltez son despreciables, tanto por el soporte lateral del suelo como por su escasa esbeltez. Se diseñan como columna cortas de concreto reforzado de sección especial, considerando los dos armados principales que tiene. Se deberán tomar en cuanta los momentos
77 flexionantes máximos, fuerzas cortantes máximas y fuerzas axiales máximas para cada combinación de cargas. Se elaboran comúnmente diagramas de interacción especiales de estos elementos y con base en estos se calcula su resistencia para las excentricidades calculadas y dimensiones propuestas, buscando que los valores de las resistencias disminuidas por factores de reducción sean mayores a los valores de las acciones multiplicadas por los factores de carga especificados en la normatividad vigente de la SCT.
5.2. Diseño de elementos de subestructura. 5.2.1. Estribos.
Estos elementos se diseñan como muros de retención. Si son de mampostería, concreto ciclópeo o concreto simple se puede emplear el método de los esfuerzos permisibles o de trabajo; si son de concreto reforzado es conveniente emplear el método de factores de carga y de reducción de resistencia, aunque es válido emplear los métodos de esfuerzos admisibles.
Se consideran las combinaciones de carga especificadas en las normas, particularmente las combinaciones I y VII, aunque hay casos en que otras combinaciones pueden ser críticas, por lo que si hay dudas se calculan todas. El diseño geométrico se basa en obtener superficies planas (no alabeadas) con uniones rectas entre planos. Los aleros se diseñan geométricamente para contener los derrames de los terraplenes de acceso y para brindar una transición suave al flujo del agua, por lo que a menudo se trazan a 30° respecto al eje del estribo.
5.2.2. Caballetes.
En estos elementos se calculan los falsos aleros ante las cargas gravitacionales de su peso propio más los efectos del empuje de tierras incrementado por el efecto de la carga viva. Esto obliga a un diseño por flexión biaxial.
78 Los cabezales se diseñan como parte del marco que forman con las columnas, siguiendo los lineamientos generales de diseño de elementos de concreto reforzado. Se consideran las reacciones máximas de las trabes sobre los cabezales para cada posición crítica de la carga viva. El diseño por sismo de estos elementos es usualmente crítico y se debe considerar que como la masa se encuentra en su mayor parte elevada, su comportamiento será el de un péndulo invertido, por lo que se deberán tomar las previsiones que las normas indican al respecto.
5.2.3. Pilas.
Estos elementos se calculan considerando los efectos de la carga viva en su posición más crítica, así como los efectos del sismo sobre la estructura que constituirá en si un péndulo invertido. Se revidarán los efectos del empuje hidrodinámico del agua, así como los del viento para ver si alguna otra combinación de cargas pudiera resultar más critica que la I o la VII.
5.3. Diseño de elementos de superestructura. 5.3.1. Losas macizas y aligeradas.
Se diseñan considerando concretos de al menos 250 kg/cm2, los espesores de
estos elementos deberán ser los necesarios para resistir los efectos por flexión y sobre todo por cortante en los apoyos, debido a la dificultad de proporcionarle refuerzo por cortante a estos elementos.
Se pueden diseñar por esfuerzos de trabajo o por factores de carga, siguiendo en todo momento lo especificado en normas.
De cualquier manera se verificarán los estados límites por flechas máximas totales (L/300) y por flechas por carga viva (L/800 si no hay tránsito peatonal o L/1000 si lo hay).
79 Se dispondrá el armado principal (de apoyo a apoyo) cuidando que al menos el 33% de las varillas se anclen más allá de los ejes de apoyo.
Se reforzará transversalmente para poder distribuir de manera adecuada las cargas en ese sentido, considerando que este refuerzo será mayor o igual al mínimo especificado en la normatividad vigente.
En el caso de las losas aligeradas, será posible y es conveniente disponer de estribos que pasen por las almas interiores y exteriores (entre tubos) para incrementar su resistencia a las fuerzas cortantes, de acuerdo a lo que se calcule.
5.3.2. Losas nervuradas.
Estas losas deberán ser calculadas considerando que se debe optimizar la separación entre trabes de manera que la losa sea lo más esbelta posible, sin que en ningún caso tenga un espesor menor a 16 cm.
Una vez diseñada la losa se diseñan las nervaduras por medio de cualquiera de los dos métodos aceptados en la normatividad, considerando que el concreto no admite tensiones, así como la compatibilidad de deformaciones entre el acero de refuerzo y el concreto.
Las varillas principales se podrán doblar a 45° formando bayonetas que contribuyan a tomar esfuerzos cortantes, cuando ya no sean requeridas en la sección por flexión, debiéndose darles una longitud adicional de acuerdo a las normas vigentes. Al menos el 33% de las varillas principales deberán anclarse más allá del eje de apoyos.
Los límites de servicio, además de los mencionados anteriormente para flechas, serán los correspondientes a los anchos máximos de grietas.
Es usual el empleo de concretos de f’c = 250 kg/cm2 al menos, debiendo valorarse
el empleo de concretos de mayor resistencia en función de su costo y de la posibilidad de construirlos o disponer de ellos en el sitio.
80 5.3.3. Losas sobre trabes de acero.
Este tipo de superestructura se podrá diseñar por cualquiera de los dos métodos aceptados por la normatividad. Para su cálculo se podrá tomar en cuenta la participación de la losa como patín de compresión en las zonas de momentos positivos, si se diseñan adecuadamente conectores de cortante entre la losa y las trabes. Se deberán disponer diafragmas entre las trabes de acero a distancias no mayores a 7.50 m. Se deberán revisar las almas por efectos de corte, pandeo local y como columnas en los apoyos.
Es común el empleo de acero estructural A-36, aunque se ha vuelto común el empleo de aceros de mayor resistencia, pudiéndose emplear ambos tipos de acero en una misma sección, que resultará híbrida, si esta combinación resulta más económica y cumple con los límites de servicio adicionalmente a los de falla.
5.3.4. Losas sobre trabes de concreto preesforzado.
Se recomienda emplear secciones tipo AASHTO. Los claros en los que se ha visto que compiten económicamente son entre 15 y 30 m, siendo los proyectos de claros de 40 m comunes aunque constructivamente se han presentado problemas. Los procedimientos de cálculo deberán apegarse a la normatividad existente, recomendándose el estudio de este tipo de elementos (ver el libro de T.Y. Lyn).
5.4. Diseño de partes especiales.
5.4.1. Parapetos y barandales.
Se recomienda para el diseño de estos elementos considerar los proyectos tipo existentes, ya que han sido probados ampliamente y son fácilmente aceptados por las dependiencias. Es conveniente revisar que en casos de ambientes muy
81 protecciones especiales para la estructura en general y en particular oara estos elementos.
5.4.2. Juntas de dilatación.
Existe una gran variedad de patentes de juntas de dilatación. El parámetro básico de diseño es la dilatación máxima esperada. Se pueden emplear para puentes de claros cortos juntas de ángulos de acero, juntas de cilindros de hule, o bien juntas de elastómeros que por lo general son patentadas (MEX T50 por ejemplo).
Junta de dilatación tipo MEX T50 (patentada)
82 5.4.3. Apoyos.
Aunque existen muchos tipos de apoyos para puentes, se ha generalizado el empleo de apoyos de neopreno-acero para puentes de claros cortos. Estas juntas se fabrican de manera particular para dimensión dada, pudiendo variar su dureza entre shore 50 y shore 70, siendo la más comercial la shore 60.
El espesor de estas placas se determina en función del claro del tramo que es soportado, de la variación térmica esperada y del tipo de material del puente. Sus dimensiones son tales que su longitud debe coincidir en lo posible con el ancho de la trabe y el ancho de la placa debe ser tal que las cargas máximas sobre la placa no excedan las cargas permisibles (del orden de entre 50 y 100 kg/cm2).
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3. Monleón Cremades, Salvador. “Cuadernos de modelización y análisis de puentes”, Volumen I y II. Universidad Politécnica de Valencia. España, 1997. 4. “Normas Técnicas para el Proyecto de Puentes Carreteros”. Tomos I y II. Secretaría de Comunicaciones y Transportes. México, 1984.
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