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 función de 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 consistan 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 el tablero se construye in situ sobre soportes temporales, casi toda la carga muerta se aplica a los cimientos de forma instantánea apenas se retiran los soportes. En el caso de cimentaciones superficiales apoyadas sobre arcillas rígidas sobreconsolidadas, es típico que el asentamiento inmediato sea aproximadamente la mitad del total, lo que da margen para considerar el efecto de los asientos restantes en el programa de construcción en relación la cantidad de asentamiento total y diferencial durante cada etapa de 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 absorbidos 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 exigen garantizar un determinado desempeño del puente ante fuerzas sísmicas. Para cumplir estos requisitos, el ingeniero estructural debe ser capaz de considerar la rigidez del sistema suelo-cimentación para tener una respuesta más fiable de la estructura. En esta fase es altamente recomendable 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 establecen dos enfoques generales para evaluar la respuesta sísmica del puente; es decir, métodos de análisis basados en fuerza o en desplazamiento. Según extensiva investigación reciente, se ha demostrado que las metodologías de diseño basadas en el desplazamiento son las más recomendadas para proyectos de puentes de grandes longitudes.
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 el amortiguamiento del sistema suelo-cimentación para evaluar la respuesta global del puente, todo esto debido a que el sistema suelo-cimentación será una importante fuente de disipación de energía para la estructura. La información obtenida a partir de 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 puentes podrá considerar los mecanismos de interacción dinámica suelo-estructura en la respuesta global del puente. La flexibilidad de los cimientos tendrá una influencia importante en el desplazamiento global de la estructura ΔD (Figura 11). Los terremotos pueden acarrear diferentes retos de diseño para el caso de pilas sumergidas en aguas profundas debido a que las fuerzas ejercidas a elevados niveles de la superestructura del puente, combinadas con las fuerzas en las pilas, tienden a producir elevados momentos de volcamiento a nivel de base. La masa de agua desplazada por los apoyos centrales debe añadirse a la masa del propio apoyo, por lo tanto, la carga excéntrica en la base del apoyo puede ser muy grande y pudiese requerir una mayor dimensión de la base para controlar la respuesta de apoyos esbeltos. Los movimientos del terreno debido sismo pueden causar la licuefacción de los suelos granulares de sueltos a medianamente densos. En algunos casos, pudiesen requerirse pilotes diseñados especialmente para suelos potencialmente licuables o técnicas de mejoramiento del terreno orientados a densificar depósitos de suelo suelto. En las Figuras 12 y 13 se muestran algunos ejemplos de puentes sobre 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). Los modos de falla son:
Fallo por cortante (fallo por cortante de vigas) 2. Cedencia por flexión del refuerzo (en la parte superior o en la parte inferior de la zapata o del encepado) 3. Falla por corte en las juntas. 4. Falla del anclaje por extracción, ya sea en la columna o en los pilotes. 5. Fallo de los pilotes adyacentes, ya sea en compresión, tracción, flexión o cortante.
Y para el caso de cimentaciones profundas, los modos de falla estructural típicos abarcan: 1. Cedencia por flexión 2. Cedencia por tracción. 3. Fallo por cortante 4. Fallo de anclaje/conexión (de pila a encepado o de pilote 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 por capacidad, por lo tanto, en el diseño mediante protección por capacidad se deben evitar todos estos mecanismos de falla. Existirán algunas situaciones específicas de diseño en proyectos de puentes en los cuales se permite que los cimientos se muevan lateralmente con el fin de promover el efecto de balanceo “rocking”, especialmente en el caso de torres de gran altura, donde los “caissons” sobre 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 muy probablemente se pierdan debido al efecto de socavación. Éstas pueden incluir la resistencia pasiva alrededor de los encepados de los pilotes y la resistencia en los tramos superiores de los pilotes donde el suelo pudiese ser removido. De igual forma en aquellos casos en que el suelo se va removiendo de forma alternante 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 estará compactado alrededor de los cimientos. Este tipo de suelo tendrá una menor resistencia lateral inmediatamente después de que los cimientos se hayan construido (Figura 16). Debido a que el peor caso de socavación es 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 máximos efectos del sismo.
Licuefacción y puentes
La licuefacción del suelo es un fenómeno en el que un depósito de suelo no cohesivo bajo el nivel freático pierde una cantidad sustancial de resistencia debido a los movimientos fuertes del terreno debido a terremotos. La razón de la pérdida de resistencia es que los suelos no cohesivos tienden a compactarse durante la vibración del terreno ante la ocurrencia de un sismo y en los suelos saturados o con elevados niveles de saturación esta tendencia hace que aumente la presión de poros en el terreno. Este aumento de la presión del agua en los poros origina a su vez, una reducción de la resistencia del terreno y de su rigidez. La Figura 17 muestra el colapso del Puente Showa en el terremoto de Niigata, en Japón, en 1964, debido a la licuefacción (lateral spreading) sobre las pilas del puente. Los suelos no cohesivos de formación geológica reciente (suelos jóvenes) y relativamente sueltos, y los rellenos no cohesivos débilmente o mal compactados son susceptibles a sufrir licuación. Las arenas sueltas y las arenas limosas son particularmente susceptibles. Los limos sueltos de baja plasticidad y algunas gravas también pueden manifestar potencial de licuefacción. La licuefacción ha sido quizás, la causa más importante de los daños geotécnicos causados en puentes en terremotos pasados. 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 capacidad portante en los apoyo laterales y verticales en los cimientos de pilares de puentes. Un caso importante de licuefacción en puentes es el desplazamiento lateral del terreno que se produjo en “Landing Road Bridge” durante el terremoto Edgecumbe de magnitud Mw 6,3 en Nueva Zelanda 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 aproximadamente 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 pilares en lo que aparentemente fue un mecanismo de falla debido a presión pasiva. Las zanjas de inspección efectuadas posteriormente confirmaron la presencia de superficies de falla y la ocurrencia de mecanismos de falla por presión pasiva en el tramo de suelo no licuado al ser desplazado contra los pilares enterrados y contra el encepado de pilotes. Se comprobó que la fuerza pasiva estuvo en el orden de 10 veces la fuerza de arrastre ejercida sobre el grupo de pilotes debido a la licuación de la arena (Berrill et al., 1997). Las grietas en los pilotes manifestaron procesos incipientes de formación de rotulas plásticas, tal y como se muestra esquemáticamente en la Figura 18.
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/
