Diseño sismorresistente de pilotes para puentes

Las cimentaciones con pilotes pueden ser una alternativa económica y/o necesaria respecto a las zapatas. En escenarios específicos como los siguientes: 1. Los estratos de suelo competentes están a grandes profundidades;  2. Existe potencial de licuefacción y/o “lateral spreading”;3. La profundidad de erosión es grande; 4. No se desea eliminar el suelo existente, por ejemplo, suelo contaminado por algún material inadecuado; 5. Las limitaciones de espacio impiden el uso de zapatas.

Las cargas sísmicas sobre cimentaciones con pilotes pueden ser tanto laterales como verticales; las fuerzas y momentos que actúan en la base del apoyo del puente se transfieren directamente al cabezal de los pilotes, y los desplazamientos y rotaciones resultantes del cabezal generan fuerza axial, fuerza cortante y momento flector sobre los pilotes. 

Se diferencian dos comportamientos a saber, el movimiento del terreno sobre las cimentaciones, el cual es transferido a la superestructura como fuerzas inerciales en función de la masa de la estructura y la aceleración del sistema suelo-estructura, y la respuesta del puente que vuelve nuevamente al terreno mediante los pilotes. La magnitud del movimiento del terreno transmitida a la estructura, y las cargas aplicadas a la cimentación, depende de las condiciones del suelo, el método de transferencia de carga del pilote al suelo (por punta o fricción), el tipo de construcción y la conexión entre la estructura y la cimentación. 

La magnitud de las cargas transmitidas nuevamente a los pilotes por la estructura depende de las vibraciones, peso y flexibilidad de la misma. La carga lateral o cortante basal de la estructura sobre la cabeza del pilote es consecuencia de la inercia de la estructura al inicio de las vibraciones del sismo y de las fuerzas inerciales de la estructura al moverse lateralmente. El valor real del cortante basal es función de la magnitud del sismo, el grado de sismicidad del área geográfica, el período fundamental de la estructura y la masa real en condición de servicio. 

Durante un sismo, cargas de levantamiento y compresión pueden actuar sobre los pilotes por efectos de las fuerzas de volcamiento. Los pilotes inclinados han sufrido daños importantes debido a que los mismos tienden a soportar todas las fuerzas horizontales de la estructura, llevando a la falla tanto el pilote como el cabezal (encepado) que cubre el o los pilotes. Pilotes verticales más largos o flexibles han manifestado mejor comportamiento. Otras fallas han ocurrido en eventos sísmicos debido a la presencia de detalles de conexión deficientes entre los pilotes y cabezales (encepados), falta de una adecuada resistencia y ductilidad rotacional en la sección transversal del pilote o debido a análisis de comportamientos esperados fallidos. 

Criterios de diseño sismorresistente para cimentaciones con pilotes

Los criterios de diseño sismorresistente aplican a pilotes o pilas de concreto reforzado, pretensado o postensado, y de acero o similares. La consideración del conjunto suelo-pilote en el modelo matemático puede influenciar notoriamente las propiedades dinámicas de la estructura y por ende su estado de fuerzas y deformaciones. El terreno puede ser simulado mediante un grupo de elementos con rigidez unidireccional o resortes que representen la rigidez axial y lateral. 

Las propiedades de dichos elementos se obtienen a partir de curvas conocidas como p-y para la dirección transversal, t-z para la dirección axial en el fuste y q-z para la dirección axial en la punta. Un método simplificado, ampliamente utilizado, para considerar la interacción entre el suelo y el pilote consiste en considerar una longitud de empotramiento equivalente del pilote. En el caso de pilotes inclinados es conveniente incluir la interacción tanto lateral como axial, pues esta última puede influenciar la rigidez lateral de la estructura como la primera. Para pilotes, aislados o en grupo, se emplearán cabezales, cuyo dimensionado y detallado debe asegurar que el pilote desarrolle su capacidad resistente en la unión.

Proceso general de diseño estructural de pilotes

El diseñador estructural ​​proporciona las cargas factorizadas que actúan sobre el pilote para diferentes combinaciones de carga, y el diseñador geotécnico proporciona la capacidad a compresión, tracción y asentamiento según la profundidad del pilote. El asentamiento se calcula respecto a las cargas del estado límite de servicio, mientras que la resistencia a compresión y tracción del pilote se calculan en función de las cargas de los estados límite de resistencia y eventos extremos. 

El peso factorizado de la fundación (cabezal del pilote) y de la sobrecarga de suelo debe añadirse a la fuerza axial calculada en la base de la columna para proporcionar la fuerza axial factorizada "bruta o gruesa". El peso calculado de suelo desde la cota de terreno original (To) hasta la parte inferior del cabezal del pilote se resta de la fuerza axial bruta factorizada para obtener la fuerza axial "neta" factorizada. Los cálculos de carga de pilotes se basan en la fuerza axial neta para el estado límite de Servicio y la fuerza axial bruta para los estados límite de Resistencia y Eventos Extremos. Se debe estimar la resistencia lateral del pilote, para lo cual el momento sísmico y la fuerza cortante se aplican en el punto tope del pilote y se registra la deflexión a diferentes profundidades. Finalmente se grafica la variación de la deflexión en toda la longitud del pilote.

Protección contra la socavación

Para evitar la pérdida de capacidad geotécnica y problemas estructurales causados por el lavado del suelo circundante, el cabezal debe ser lo suficientemente profundo para evitar la exposición de pilote durante la vida útil del puente. Todo componente de la erosión que sea degradación, contracción y socavación local de la pila deben ser considerados en el diseño. La profundidad mínima requerida del cabezal para eliminar el problema de socavación se muestra en la Figura 2. 

Criterios de diseño estructural sismorresistente de pilotes

El diseño estructural de los pilotes será realizado con base en el estado de deformaciones impuesto por las acciones generadas por el sismo, considerando la interacción entre el terreno y los pilotes, bajo las solicitaciones axiales y laterales. En zonas de riesgo sísmico importante no es adecuado realizar el diseño de pilotes sobre la base de diseño por resistencia únicamente. Estos miembros deberán poseer una ductilidad adecuada, y mucho más importante, ductilidad ante la presencia de inversión de momentos. 

La ductilidad puede ser definida de varias formas, sin embargo, la definición convencional se traduce como “la capacidad para desarrollar una magnitud controlada de deformación inelástica con pocos cambios en las fuerzas causantes de la deformación y sin alcanzar una condición de falla”. La ductilidad rotacional es sumamente importante para la respuesta sísmica y la misma a su vez viene a ser una medida de la tenacidad de los pilotes. Se pueden generar zonas de rotación concentrada en los puntos donde el pilote se conecta con el cabezal (encepado) y en ciertos puntos a lo largo de la longitud del pilote, tales como las interfaces entre estratos de suelos con diferencia de rigidez importante. 

El cálculo de estos comportamientos implica un profundo conocimiento de aspectos sismo-geotécnicos y estructurales donde intervienen conceptos referidos a fenómenos de interacción suelo-estructura. De acá es importante acotar que el considerar análisis de fenómenos de interacción suelo-estructura de forma errada puede conducir a la obtención de requerimientos de rotación errados y poco realistas para los pilotes, de allí que la mayoría de los códigos de diseño han establecido procedimientos semi-empíricos para considerar estos factores, de forma mucho más practica debido a la complejidad del fenómeno. 

La mayoría de los miembros en concreto armado y pre-comprimido poseen cierta ductilidad inherente, pero esta por lo general es inadecuada para la respuesta sísmica y para efectos de análisis a menos que se tomen en cuenta medidas especiales para garantizarla. La ductilidad depende de muchos factores, la misma disminuye si el área del refuerzo en tracción, su resistencia a la cedencia o ambas se incrementan abruptamente; o si la fuerza en compresión sobre un pilote se incrementa; o si disminuye la resistencia del concreto. 

Por el contrario, la ductilidad se incrementa si se añade refuerzo en compresión, si se incrementa la resistencia del concreto, si la fuerza axial en compresión disminuye, o si se suministra refuerzo de confinamiento al miembro. El ejemplo de refuerzo de confinamiento más comúnmente utilizado en la práctica lo constituye la espiral que es requerida en columnas de concreto reforzado. Experiencia de sismos pasados y de ensayos de laboratorio demuestran que dicho refuerzo en espiral provee suficiente ductilidad en modos de flexión, y que de igual forma provee una importante contribución a la resistencia por corte. 

En los casos donde el pilote le sea suministrado refuerzo de confinamiento en su tope, dicho refuerzo será extendido dentro de la longitud del cabezal, tal como se observa en la Figura 3. 

Aunque las espirales contribuyen a obtener miembros dúctiles, la selección de la cuantía, áreas de barras y separación para dicho refuerzo en espiral no está relacionado con los requerimientos de flexión o corte sino más bien relacionado con consideraciones de compresión axial. Debido a que este requerimiento es derivado explícitamente de espirales circulares, ésta no contempla los requerimientos para arreglos de refuerzo longitudinal cuadrados o rectangulares. Para estos casos se han desarrollado ciertas expresiones empíricas.

 A pesar de que la compresión axial pudiese ser el principal modo de carga, los pilotes de concreto se encuentran sujetos frecuentemente a tensión axial, flexión, y corte, así como a diferentes combinaciones de carga. Los pilotes de concreto deberán poseer suficiente capacidad estructural para todos los modos y combinaciones de carga que experimentan en condición de servicio. Para cargas combinadas de empuje y flexión, el desempeño estructural debe ser evaluado de forma más precisa mediante el uso de diagramas de interacción y métodos de diseño por resistencia. 

El criterio de diseño basado en capacidad estructural nominal de servicio (Qnom) y capacidad portante admisible del terreno (Qadm), se utiliza cuando el suelo provee soporte lateral completo al pilote y donde las fuerzas aplicadas al pilote no generan más que pequeños momentos flectores resultantes de excentricidades adicionales. Los pilotes sujetos a grandes momentos flectores o con longitudes no soportadas en el terreno, se recomiendan ser tratados de forma equivalente a una columna. El Código ACI318:14 (Art 13.4.3.1) establece: “las porciones de miembros de cimentaciones profundas expuestas a aire, agua o suelo que no sean capaces de proporcionar una restricción adecuada a lo largo de la longitud del miembro para evitar su pandeo lateral deben diseñarse como columnas de acuerdo con las disposiciones aplicables del Capítulo 10 (Columnas)”. Esta filosofía es la misma que utiliza el código AASHTO LRFD Bridges para el diseño de cimentaciones para puentes.

Diseño estructural de pilotes por factores de carga y resistencia (LRFD)

Los pilotes de concreto que sirven como cimentaciones de puentes frecuentemente están sometidos a cargas de tensión axial, flexión y corte, así como combinaciones de estas últimas, por lo cual deben poseer una capacidad estructural adecuada para todos los modos y combinaciones de carga que experimentaran en su vida útil. Es por ello que se recomienda evaluar su comportamiento estructural de una manera más precisa mediante el uso de diagramas de interacción y métodos de diseño por resistencia (LRFD). 

Los requerimientos generales del diseño por resistencia para pilotes exigen que el pilote posea la resistencia de diseño en todas las secciones por lo menos igual a la resistencia requerida calculada para las cargas factorizadas determinadas utilizando los factores de carga y las combinaciones de servicio, tal y como se estipula en el código AASHTO LRFD y el ACI. La resistencia de diseño del pilote es calculada como el múltiplo entre la resistencia nominal del pilote y un factor de reducción de resistencia (φ), que por lo general es menor que 1. La resistencia nominal del miembro será determinada conforme a requerimientos del código. 

Los factores de resistencia (φ) recomendados siguen la filosofía de diseño de columnas de concreto reforzado (AASHTO LRFD). El ACI-543 recomienda factores de reducción de resistencia a la compresión (φc) desarrollados únicamente para pilotes (Criterio ACI-543). El factor de resistencia (φ) para la evaluación del estado límite de Eventos Extremos I será igual a 1.0 (AASHTO RFD). 

Resistencia a la Flexión. Para pilotes de concreto sometidos a flexión sin carga axial o flexión combinada con tensión axial, el factor de reducción de resistencia (φt) será de 0.9 (controlado a tracción). 

Resistencia bajo condición combinada de carga axial y flexión El análisis y diseño de pilotes de concreto, excepto pilotes de concreto confinados con forro, que estén sujetos de forma combinada a momentos flectores importantes conjuntamente con fuerzas axiales deberá efectuarse mediante el uso de diagramas de interacción. Para ello se deben utilizar los factores de reducción de resistencia tanto para compresión (φc) como para tensión (φt), así como las combinaciones de carga especificadas por el código AASHTO o la regulación normativa que aplique. 

Diagramas de Interacción en miembros sometidos a flexocompresión Los pilotes pueden estar sometidos a flexocompresión de tipo uniaxial o biaxial (cuando actúan combinaciones de momentos en una o dos direcciones respectivamente, conjuntamente con la carga axial). 

Estas combinaciones pueden variar desde una carga axial máxima con un momento nulo, hasta un momento asociado a una carga axial nula; el lugar geométrico de las relaciones de carga axial y momento flector se representa gráficamente por medio de un Diagrama de Interacción, que establece la condición de capacidad límite resistente, tal como se observa en la siguiente Figura. 

Comentarios referidos a la resistencia estructural del pilote 

Para el análisis de pilotes vaciados de concreto con forro bajo la acción combinada de momentos flectores y carga axial, se tiende a considerar que existe un vínculo adecuado entre el concreto y el forro, de forma tal que las deformaciones del concreto y del acero convergen en la interface. Sin embargo esta asunción no es totalmente cierta, sobre todo en las zonas cercanas a los extremos del pilote, donde puede variar la calidad de dicho vinculo y donde debe ser aplicado el correcto juicio del proyectista. Pudiesen utilizarse conectores de corte u otros dispositivos de anclaje entre el concreto y el acero con la finalidad de garantizar una acción conjunta entre ambos materiales con la finalidad de alcanzar una mayor capacidad resistente ante la acción de ciertas condiciones de carga especiales.