Subestructuras

CAPÍTULO 6: SUBESTRUCTURAS

6.1 Introducción

El diseño de la subestructura influye directamente en la configuración de la

superestructura. Por ejemplo, la ubicación de los estribos determina la longitud total del

puente y el número de pilares controla el peralte de las vigas. Asimismo, la calidad de la

subestructura controla el nivel de funcionamiento del puente.

Este diseño de la subestructura requiere mayores consideraciones debido está expuesta a

varios tipos de cargas como de la superestructura, de agua, de relleno y de el suelo de

cimentación con sus respectivos tipos de falla como vuelco, deslizamiento o presión

portante. Además, el diseño se complica de inesperadas condiciones geológicas, o

complicadas geometrías de tableros con curvas horizontales o verticales.

6.2 Erosión

Los estribos y pilares ubicados en el curso del río o en las llanuras de inundación están

expuestos a la erosión. Desafortunadamente, este efecto es extremadamente complejo de

predecir y calcular lo que lo convierte en el causante de la gran mayoría de los colapsos de

puentes.

Fig. 6.1 Erosión durante avenidas

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En general, se pueden distinguir tres tipos de erosión. El primer tipo de erosión ocurren en

el fondo del río durante periodos de avenidas o inundación (ver Fig. 6.1). En estos

periodos, las altas velocidades son capaces de mover grandes cantidades de materiales,

reduciendo el nivel del fondo. Este efecto se ve incrementado cauces angostos. Para

condiciones típicas, se puede decir que la erosión es proporcional al incremento del nivel

de agua.

Fig. 6.2 Erosión lateral

El segundo tipo de erosión ocurre en las curvas de ríos (ver Fig. 6.2). La erosión se

presenta en las riveras exteriores de las curvas debido a las mayores velocidades del flujo.

En cambio, las riveras interiores serán sedimentadas producto de las bajas velocidades. Los

estribos ubicados en los estribos exteriores de las curvas deberán ser protegidos contra la

socavación colocando mallas geotécnicas o protecciones de concreto o cimentando los

estribos a una profundidad mayor de la máxima erosión posible.

Fig. 6.3 Erosión local en un pilar.

Sedimentación

Erosión

Nivel de agua

Perfil de erosión

Flujo

Zona de erosión

Pilar

Pilar

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El tercer tipo de erosión es producto de la obstrucción de los pilares (Fig. 6.3). Esta erosión

localizada depende de muchos factores como la configuración de los pilares, el ángulo de

inclinación entre el flujo y el pilar, la contracción del cauce y los escombros depositados en

el fondo.

6.3 Diseño de estribos

Los estribos son un tipo particular de muros de contención que sirven de apoyo a la

superestructura del puente. El estribo debe ser capaz de mantener el cauce estable y la vez

contener el terraplén.

Los estribos pueden ser: estribos de gravedad, estribos en U, estribos reforzados

(voladizo), estribos de semigravedad (parcialmente reforzados) o estribos de pantalla y

contrafuerte. En el caso de puentes provisionales o en aquellos en que se puede dejar que el

terreno caiga libremente, se puede construir los estribos con pilotes, viga cabezal y muro

parapeto, que contiene las tierras (estribos abiertos). En la Fig. 6.4 se muestran algunos

tipos de estribos.

Fig. 6.4 Tipos de estribos. a) Estribo de gravedad con muros de aleta, b)Estribos con

contrafuertes.

Para mitigar el empuje del relleno cuando está húmedo se suelen proveer de drenajes al

estribo y muros de acompañamiento.

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En general, los estribos de gravedad son de mampostería o concreto simple, mientras que

los estribos de voladizo y contrafuertes suelen ser de concreto reforzado o preesforzado.

Los estribos de gravedad son más comunes para alturas de 4.0m, y los estribos de

contrafuertes son más usados para alturas de 7.0 m a mayores.

Sin embargo, la altura no es una limitación estricta para el tipo de estribo. La elección del

tipo de estribo se hace teniendo en cuenta varios criterios como: el costo de construcción y

mantenimiento, corte y relleno del terreno, seguridad en la construcción, estética y

semejanza con estructuras adyacentes, etc.

Tabla 6.1 Factores de resistencia para cimentaciones superficiales

Tipo de estado límite Factor de

Resistencia

1. Capacidad portante

a) Arena

Procedimiento semiempírico SPT 0.45

Procedimiento semiempírico CPT 0.55

Método racional

Usando φf de SPT 0.35

Usando φf de CPT 0.45

b) Arcilla

Procedimiento semiempírico CPT 0.50

Método racional

Usando resistencia al corte de laboratorio 0.60

Usando resistencia de la veleta de corte 0.60

Usando resistencia estimada de datos del CPT 0.50

c) Roca

Procedimiento semiempírico 0.60

2. Desplazamientos

a) Concreto prefabricado colocado en arena

Usando φf de SPT 0.90

Usando φf de CPT 0.90

b) Concreto colocado en arena

Usando φf de SPT 0.80

Usando φf de CPT 0.80

c) Arcilla con resistencia cortante

menor al 50% de la presión normal.

Usando resistencia al corte de laboratorio 0.85

Usando resistencia de la veleta de corte 0.85

Usando resistencia estimada de datos del CPT 0.80

d) Arcilla con resistencia cortante 0.85

mayor al 50% de la presión normal.

La norma AASHTO (1994) LRFD Bridge Design Specification, requiere el uso del método

LRFD en el diseño de estribos. Es decir, los estribos deben ser diseñados para los estados

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límites últimos (resistencia) y los estados límites de serviciabilidad (deformaciones, fatiga,

grietas, deterioros). En la tabla 6.1 se presentan los factores de resistencia φ propuesto por

Barker, 1991.

Asimismo, el método tradicional de esfuerzos admisibles ASD puede ser usado en el

diseño de estribos. La elección del método de diseño entre LRFD o ASD, no influye

drásticamente en los resultados de cimentaciones como en el caso de las superestructuras

(Barker, 1997).

6.3.1 Cargas y fuerzas de presión de tierra en estribos

En caso de diseñar por LRFD, los estribos serán diseñados para los grupos de

combinaciones de cargas presentadas en el capítulo 2. En cambio,

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