Geotecnia y proyectos de puentes (parte I)

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 de puentes se presenta siempre como un gran desafío. Entre otras cosas, por la fuerte relación que existe entre la respuesta estructural del puente y las características geotécnicas del sitio donde se ubica el proyecto. El ingeniero geotécnico debe considerar con precisión las características y etapas del proceso constructivo que se llevarán a cabo a lo largo del proyecto. Elegir un tipo de cimentación determinado para una estructura de puente no siempre será una tarea fácil por existir diferentes aspectos que deben considerarse en conjunto en el proyecto. La respuesta de la cimentación de un puente segmental no será la misma que la de un puente atirantado o un puente integral, debido a que, según el efecto de cada conjunto de cargas activas en cada fase conjuntamente con sus características estructurales, esto determinará 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 de puente de forma conjunta. 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 del sistema suelo-cimentación en un proyecto de puentes

Según la condición geotécnica, las cargas actuantes, el tipo de estructura, la sismicidad del sitio y los requisitos de desempeño, existirán ciertas configuraciones típicas de cimientos que podrían utilizarse en un proyecto de puentes (Figura 2).

Figura 2: Formas estructurales típicas para sistemas de cimientos de puentes

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 suelo-cimentación 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 tipo de cimentación, en comparación con otros tipos de estructuras y, a menudo, puede controlar la magnitud de la carga sobre los cimientos ajustando la longitud del vano para que se adapte a las condiciones topográficas y geológicas del sitio. Una buena recomendación (según el alcance del proyecto) consiste en dimensionar la longitud del vano, de forma tal 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 muy pocas alternativas para elegir la ubicación final de la estructura y poder 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 ubicaciones de los puentes sobre el agua se seleccionan para garantizar la menor longitud de cruce posible. De igual forma, hay otros casos en los que las vías fluviales existentes se han modificado mediante infraestructuras artificiales.

Magnitud y distribución de las cargas

Las cargas sobre los cimientos de puentes son muy diferentes a las que típicamente se identifican 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 móviles e impuestas por el tráfico pueden ejercer considerables fuerzas de tracción longitudinal sobre el tablero del puente. Las fuerzas longitudinales también son causadas por la retracción del hormigón y debido a cambios de temperatura sobre el tablero del puente, mientras que las fuerzas transversales pueden ser causadas por cargas de viento, fuerzas de arrastre, oleaje y colisiones de barcos en el caso de ríos o cruces de agua. Por otra parte, las fuerzas sísmicas pueden ser transmitidas por el terreno a los soportes del puente desde cualquier dirección, y pueden ser críticas para estructuras esbeltas o para pilares construidos en aguas profundas donde la masa del agua desplazada debe añadirse a la del cuerpo del pilar. Además de las cargas de servicio debidas al tráfico, pudiese existir una aplicación rápida de carga sobre los cimientos en la etapa de construcción, por ejemplo, cuando se ensamblan tableros completos a nivel del suelo y se levantan o desplazan desde el sitio de fabricación hacia los apoyos del puente. Los cimientos de los pilares intermedios de los puentes apoyados en tierra deben ser capaces de soportar las fuerzas provenientes de las siguientes fuentes:

• 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 de interés en el diseño

Para llevar a cabo un diseño típico de cimentación, el ingeniero geotécnico se encargará de estimar la capacidad vertical y lateral del sistema suelo-cimentación de acuerdo con la información obtenida del informe geotécnico, y a partir de expresiones y/o correlaciones de uso amplio para estimar la resistencia de la cimentación mediante métodos analíticos o mediante expresiones semi-empíricas derivadas de ensayos de campo (SPT, CPT, DMT, etc). A menudo se considera que las únicas soluciones de sistemas suelo-cimentación disponibles para las estructuras de puentes son los grupos de pilotes, pilas rotadas o “caissons”. Es importante destacar que, a pesar de que estos tipos de cimientos se consideran como una solución predilecta para condiciones geotécnicas complejas, existen numerosas experiencias documentadas de proyectos de puentes apoyados en cimentaciones superficiales (Report FHWA-SA-02-054). Sin embargo, en la mayoría de los casos estas soluciones se combinan con técnicas de mejoramiento del terreno antes de la construcción, con el fin de alcanzar la capacidad portante requerida del sistema suelo-cimentación.

Figura 4: Puente “Avenida Las Ferias”. Valencia, Venezuela (2015). (Pilotes sometidos a fuerzas laterales. Máximo profundidad 19 metros). 4.a) Colocación de jaula de acero de refuerzo para ejes. 4.b) Resultados de la respuesta típica de ejes contra fuerzas laterales.

En el caso de cimentaciones con pilotes existen otros aspectos que deben tenerse en cuenta, tales como: la longitud, la capacidad por punta y por fricción superficial, la resistencia a la fricción negativa, la respuesta lateral, el efecto de grupo contra las cargas verticales y laterales, la relación entre la rigidez y el cabezal o encepado del pilote, la influencia de los efectos de la licuefacción, entre otros. Cuando los apoyos se encuentran conformados por un único pilar será de suma importante disponer de un análisis preciso del comportamiento del mismo contra las cargas laterales y por momento. El uso de curvas p-y es sumamente útil para estimar la respuesta lateral de los pilotes. Adicionalmente, en los últimos años se han desarrollado diferentes herramientas computacionales que permiten llevar a cabo este tipo de análisis. Un ejemplo de análisis de pilotes cargados lateralmente se muestra en las Figuras 3 y 4 (Puente «Avenida Las Ferias», 2015). En este proyecto, los pilotes fueron diseñados contra cargas verticales y laterales con el fin de soportar las cargas típicas del proyecto de puente en cuestión, tales como: cargas muertas, vivas, de tráfico y sísmicas. El diseño geotécnico y estructural del grupo de pilotes para los pilares y estribos se llevó a cabo siguiendo los requisitos del “Código AASHTO-LRFD Bridge” (Categoría de diseño sísmico D). Las soluciones mediante grupos de pilotes se consideran en aquellos casos donde las cargas actuantes hacen que los pilotes individuales sean inusualmente grandes y particularmente costosos. Tal y como se ilustra en la Figura 5, los grandes momentos de volcamiento pueden ser resistidos eficazmente mediante grupos de pilotes debido a la capacidad por momento derivada del par de resistencia axial de los pilotes espaciados dentro del grupo. Debido a los requerimientos de maquinaria pesada necesaria para instalar cimientos mediante pilotes individuales de más de 2,40 metros de diámetro, los grupos de pilotes de menor diámetro pueden ser mucho más rentables en la mayoría de los casos.

Figura 5: Grupo de pilotes frente a eje único

Los grupos de pilotes son menos ventajosos cuando el coste o la dificultad de la construcción del encepado o cabezal sea significativo. En el caso de cimientos sobre agua, la construcción del encepado o cabezal puede acarrear costos importantes y puede traducirse en mayores tiempos de construcción. Adicionalmente, la socavación puede llegar a ser menos severa sobre un único pilote o pila en comparación con un grupo. En los casos de espaciamiento 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. Una forma de evitar la reducción de la tensión lateral y/o el aflojamiento del suelo alrededor de los pilotes consiste en permitir el paso de la tolva por delante de la excavación de forma preliminar para reducir tales efectos adversos en algunos tipos de materiales.  Los efectos de grupo de pilotes se consideran para espaciamientos centro a centro de menos de 4 diámetros para análisis de capacidad por punta y menos de 5 diámetros para análisis de capacidad por fricción superficial. (El espaciamiento definitivo centro a centro se fijará según el tipo de suelo y el mecanismo de transferencia de carga del grupo de pilotes). En la Figura 6 se muestra una solución mediante grupo de pilotes para un proyecto de puente (Puente «Avenida Las Ferias”, 2015). El espaciamiento típico centro a centro para este caso oscilaba entre 2,5D y 3D, por lo que fue necesario estimar un factor de eficiencia contra las cargas verticales y laterales siguiendo los requisitos del “Código AASHTO-LRFD Bridge” con la finalidad de estimar la capacidad real de los pilotes perforados modificada debido a efectos de grupo.

Figura 6: Puente "Avenida Las Ferias". Valencia, Venezuela (2015). (Detalles de grupos de ejes sometidos a fuerzas verticales y laterales. Diámetro típico = 1.3 m). 5.a) Dibujos de grupos de pilotes para pilares (10 ejes). 5.b) Dibujos de grupos de pilotes para pilares (15 ejes).

Evaluación de asentamientos totales y diferenciales

El ingeniero geotécnico debe disponer de una descripción detallada de las características de cada etapa de construcción. Según cada patrón de carga existirá 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 sucesivos de 40 metros de luz. Cada pilar se apoya sobre una franja de cimentación con condiciones geotécnicas heterogéneas. 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 apoyos en ciertos intervalos durante la construcción.  Sabiendo que el pilar B se ha asentado en 8 mm tras haberse completado únicamente el 50% de la construcción, en comparación con un asentamiento final de 1 mm después de completar la construcción del pilar A, el apoyo del pilar B se fija en 10 mm de altura después de completar el pilar. Luego, cuando los voladizos sobre ambos pilares están terminados, en la etapa 4, el asentamiento diferencial entre los apoyos del puente es de 20 mm en comparación con los 30 mm existentes entre los pilares (Figura 7).

Figura 7: Asentamientos totales y diferenciales del puente de vigas continuas durante la construcción. (Primeras etapas)

Los dos voladizos adyacentes se unen en esta etapa. Posteriormente, sólo la carga permanente del tablero a corto plazo y la carga impuesta a largo plazo originan el asentamiento diferencial debido a la instalación combinada del tablero y las vigas entre los apoyos. A corto plazo, se estima que dicho movimiento diferencial es de 15 mm (etapa 5) y a largo plazo en 25 mm (etapa 6), en comparación con un asentamiento diferencial final entre los cimientos de los pilares de 60 mm. Finalmente, se reporta una distorsión angular de 1/1600 estimada a partir del movimiento diferencial entre los apoyos del tablero (25 mm). El ingeniero del puente debe ser el encargado de validar si este movimiento diferencial puede ser absorbido por la superestructura del puente de hormigón armado (Figura 8). Es importante destacar la dificultad de hacer pronósticos precisos de los asentamientos en condiciones geotécnicas heterogéneos. Sin embargo, si se dispone del detalle correspondiente a las diferentes etapas de construcción, el diseñador del puente puede obtener una estimación razonablemente cercana de los asentamientos diferenciales esperados en los diferentes tramos del puente a lo largo de la vida de la estructura. La reducción de los efectos de los asentamientos diferenciales puede simplificarse en gran medida si se ajustan y nivelan las vigas (mediante equipo hidráulico), según las cotas de proyecto, antes de efectuar la unión final de las juntas de los tableros.

Figura 8: Asentamientos totales y diferenciales del puente de vigas continuas. (Últimas etapas y a largo plazo)

Segunda entrega: Geotecnia y proyectos de puentes (parte II).

Las imágenes tomadas de la revista e-mosty corresponden a este artículo que encontrarán en la página 30 de la revista

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/