Pilas y Estribos

8/19/2019 Pilas y Estribos

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

UNIDAD ZACATENCOPUENTES

“PILAS Y ESTRIBOS”

se "uede de$ar (ue el terreno caia libremente% se "uede construir los estribos con"ilotes% 'ia cabe+al y muro "ara"eto% (ue contiene las tierras 2estribos abiertos.#

Para mitiar el em"u$e del relleno cuando est) -&medo se suelen "ro'eer dedrena$es al estribo y muros de acom"añamiento#

En eneral% los estribos de ra'edad son de mam"oster,a o concreto sim"le%mientras (ue los estribos de 'oladi+o y contrafuertes suelen ser de concretorefor+ado o "re esfor+ado#Los estribos de ra'edad son m)s comunes "ara alturas de 3#4m% y los estribosde contrafuertes son m)s usados "ara alturas de 5#4 m a mayores#

Sin embaro% la altura no es una limitaci!n estricta "ara el ti"o de estribo# Laelecci!n del ti"o de estribo se -ace teniendo en cuenta 'arios criterios como0 elcosto de construcci!n y mantenimiento% corte y relleno del terreno% seuridad en laconstrucci!n% est/tica y seme$an+a con estructuras adyacentes% etc#

La norma AAS6TO 27883. LR9: Bride :esin S"ecification% re(uiere el uso delm/todoLR9: en el diseño de estribos#


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Es decir% los estribos deben ser diseñados "ara los estados l,mites &ltimos2resistencia. y los estados l,mites de ser'iciabilidad 2deformaciones% fatia% rietas%deterioros.#En la tabla ;#7 se "resentan los factores de resistencia < "ro"uesto "or Bar=er%7887#

Asimismo% el m/todo tradicional de esfuer+os admisibles AS: "uede ser usado enel diseño de estribos# La elecci!n del m/todo de diseño entre LR9: o AS:% noinfluye dr)sticamente en los resultados de cimentaciones como en el caso de lassu"erestructuras 2Bar=er% 7885.#


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Cargas y fuerzas de presión de tierra en estribos

En caso de diseñar "or LR9:% los estribos ser)n diseñados "ara los ru"os decombinaciones de caras "resentadas en el ca",tulo ># En cambio% si se usa elm/todo

AS:% ob'iamente estas caras no ser)n am"lificadas y se traba$ar)n con losesfuer+os admisibles#

Asimismo% los estribos se encuentran su$etos a las fuer+as de "resi!n de tierraacti'a y "asi'a# ?ada una de estas "resiones corres"onde a las diferentescondiciones de direcci!n y manitud de del mo'imiento de los estribos#E*isten muc-os m/todos "ara determinar las fuer+as de em"u$e acti'as y "asi'assobre los estribos% como ?oulomb% Ran=ine o la de ?a(uot@erisel% cada una deellas tiene sus 'enta$as y se deber) eleir la adecuada "ara el diseño# El m/todo

de cuñas de ?oulomb "uede usarse "ara rellenos irreulares% mientras (ue lateor,a de Ran=ine y ?a(uot@erisel se usan "ara formas m)s reulares#?omo se obser'a en la fi# ;# y ;#;% la resultante est) ubicada a un tercio de laaltura del muro% sin embaro ensayos e*"erimentales 2:uncan% 7884. -andemostrado (ue la resultante se encuentra a"ro*imadamente ubicada a 4#346#

En el caso de "resi!n "asi'a los 'alores de P" "or ?oulomb "ueden ser mayoresa los reales% es"ecialmente cuando C es mayor a una 'e+ y media


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:!nde0

Pa D 9uer+a de "resi!n acti'a 29uer+alonitud.#a D ?oeficiente de "resi!n acti'a#F D Peso unitario#6 D Altura#


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Requerimientos de diseño para estribos:

Los estribos est)n su$etos a 'arios modos de falla como se muestra en la fi# ;#5#Estos modos de falla "ueden ocurrir en el suelo o en la estructura#La falla "or des"la+amiento ocurre cuando la "resi!n lateral e*cede la ca"acidadde fricci!n de des"la+amiento# La falla "or ca"acidad "ortante sucede cuando see*cede la ca"acidad del suelo de fundaci!n# La falla de randes asentamientoscon des"la+amiento se desarrolla en suelos arcillosos# Iualmente% se debe re'isar las "osibles fallas en miembros estructurales#

Criterios de estabilidad:

Para el diseño de estribos sobre +a"atas se debe diferenciar tres ti"os de estribos0H Estribos con suelo arcilloso en el relleno o la cimentaci!n#H Estribos con relleno ranular y cimentado en arenas o ra'as#H Estribos con relleno ranular y cimentado en Roca#En la fi# ;# se muestra las diferentes fuer+as de tierra las (ue "uede estar e*"uesta los estribos# En la fiura ;#8 se muestran las distintas distribuciones de"resi!n se&n el ti"o de estribo y el m/todo de diseño# A continuaci!ncomentaremos los criterios m)s im"ortantes en el diseño de estribos#


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Ubicación de la resultante:

Este criterio reem"la+a el control al 'olcamiento del estribo# El criterio consiste enlimitar la e*centricidad de la resultante# Las e*centricidades m)*imas sonmostradas en la tabla;#J#La ubicaci!n de la resultante Ko "uede determinarse "or0


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Capacidad portante:

La seuridad contra este ti"o de falla es obtenida a"licando los factores deresistencia de la tabla ;#7 en el m/todo LR9:# En el m/todo AS:% se obtiene laseuridad a"licando el factor de seuridad adecuado#


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Pre dimensionamiento:

En la fi# ;#74 y ;#77 se muestra un es(uema con las dimensiones usuales "araestribos de ra'edad y cantil/'er se&n Bar=er% 7885# Para estribos decontrafuerte "ueden usarse las dimensiones de estribos de cantil/'er con unase"araci!n de contrafuertes de 6> a >6J#Estas dimensiones "ueden 'ariar en casos de erosi!n#


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Asimismo% el anc-o de la ca$a del estribo debe ser lo suficientemente rande "arala colocaci!n de los a"aratos de a"oyos de las 'ias 2a"ro*# J de la altura de la'ia.#

Adem)s% los anc-os m,nimos de ca$uelas en cada estribo se determinar)neliiendo el mayor 'alor de calcular los m)*imos des"la+amientos se&n elmodelo s,smico eleido o como un "orcenta$e del anc-o em",rico de ca$uela determinado en la siuiente ecuaci!n0

Rediseño:

En caso de no cum"lir con los criterios de estabilidad se deben correir lasdimensiones del estribo# A continuaci!n% "resentamos alunas recomendaciones-ec-as "or im 2788. "ara correir "roblemas de estabilidad#


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E*centricidad no satisfec-a0H Aumentar anc-o de la base#H Mo'er el muro de contenci!n -acia el tal!n :el estribo#HReducir P- rem"la+ando el relleno de arcilla "or uno ranular o "ro'eer unsistema de drena$e#H :iseñar una losa de concreto refor+ado so"ortada "or el estribo "ara noconsiderar la "resi!n -ori+ontal debida a la sobrecara 'i'a#

Resistencia al des"la+amiento no satisfec-a0H Aumentar anc-o de la base#H Reducir P-#H 1sar una base inclinada% o diseñar un es"ol!n "ara incrementar la

resistencia

6ori+ontal#H :iseñar una losa de concreto refor+ado#

Asentamientos y estabilidad no satisfec-a0H Aumentar anc-o de la base#H Reducir P-#

En caso de obtener resultados irra+onables o antiecon!micos se debe anali+ar la"osibilidad de utili+ar "ilotes -incados o "erforados#

DISEÑO DE PILAS O PILARES

Los "ilares son los a"oyos intermedios de la su"erestructura del "uente# Adem)s%tal como los estribos% estas estructuras deben ser ca"aces de so"ortar el em"u$ede los rellenos% la "resi!n del aua% fuer+as de sismo y las fuer+as de 'iento#Estas caras act&an tanto en el sentido lonitudinal como en el trans'ersal#


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E*isten muc-os ti"os de "ilares como se "uede obser'ar en la fi# ;#73# Incluso%estos "ilares "ueden ser de forma -ueca "ara aumentar la riide+ del elemento#:esde el "unto de 'ista del material% los "ilares "ueden ser de mam"oster,a%concreto cicl!"eo% concreto refor+ado o concreto "reesfor+ado#Las "ilares de mam"oster,a y concreto cicl!"eo se usan "ara estructuras de "ocaaltura en terrenos resistentes# Mientras (ue los "ilares de concreto armado y"reesfor+ado son comunes "ara alturas mayores#

Se "uede decir (ue los "ilares est)n com"uestos "or0H Base#H ?uer"o o fuste#H ?orona o remate#


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Los "ilares deben tener formas aerodin)micas en caso de encontrase sumeridos#En la fi# ;#7 se muestran alunas formas de "ilares sumeridos# :e esta manerase e'ita la soca'aci!n y la formaci!n de '!rtices# En caso de (ue la direcci!n delflu$o sea incierta o "ueda 'ariar se recomienda usar "ilares circulares#

Al iual (ue los estribos% los "ilares "ueden cimentarse con cimentacionessu"erficiales o "or medio de "ilotes o cilindros -incados 2'er fi# ;#7;.#

Criterios de diseño:

Tambi/n% en la norma AAS6TO 27883. LR9: Bridge Design Specification% re(uiereel uso del m/todo LR9: en el diseño de "ilares# Es decir% los "ilares deben ser diseñados "ara los estados l,mites &ltimos 2resistencia. y los estados l,mites deser'iciabilidad 2deformaciones% fatia% rietas% deterioros.#


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?om&nmente% los "ilares se com"ortan como columnas su$etas a caras a*iales ya momentos en las dos direcciones# Sin embaro% estas condiciones "odr,an'ariar de"endiendo de las caracter,sticas "articulares de cada "royecto#

Para las cimentaciones de los "ilares se "odr) eleir entre el m/todo LR9: y el AS:# En el diseño se "odr) seuir las mismas recomendaciones (ue se dieron"ara estribos% siem"re y cuando sean a"licables# Asimismo% los "ilares debencum"lir con los criterios de estabilidad mostrados anteriormente#

Para el an)lisis de la "resi!n del aua se deben considerar las -i"!tesis de ni'elm)*imo y m,nimo de aua# :e iual forma% se debe -acer el an)lisis de caras de'iento sobre 'e-,culos% la su"erestructura y las subestructuras en los sentidoslonitudinal y trans'ersal#

Para el an)lisis de la cara 'i'a se deben anali+ar 'arias "osibilidades de manera(ue se obtenan los casos m)s desfa'orables% tanto en el sentido lonitudinalcomo en el trans'ersal#

Predimensionamiento:

Para "ilas de mam"oster,a% la dimensi!n de la corona est) determinada "or ladistancia entre las 'ias e*teriores% los a"oyos y la altura de las 'ias#1sualmente% la corona sobresale 4#7m del fuste con una "endiente de 7074 a70>4# En alturas "e(ueñas la "ila "uede ser totalmente 'ertical#

Los "ilares de concreto refor+ado o "reesfor+ado tienen formas m)s 'ariadas# Lasm)s comunes son los "ilares a"orticadas y los "ilares con 'ia en 'oladi+o#Iualmente% las secciones m)s comunes son las rectanulares y las circulares# La'ia cabe+al de los "ilares (uedar) determina "or la distancia de las 'iase*teriores#

Requisitos de pilares tipo columnas y tipo muro:

A continuaci!n "resentamos los "rinci"ales re(uerimientos "ara columnas# Lasnormas (ue a(u, se "resentan -an sido e*tra,das del Manual de diseño de

Puentes del MT? del Per Para mayores detalles re'isar el relamento#

Requisitos de columnas:

Los a"oyos 'erticales ser)n considerados como columnas si la relaci!n de alturalibre a la mayor dimensi!n en el "lano no es menor (ue >## Para una columna desecci!n 'ariable la dimensi!n m)*ima en el "lano ser) la dimensi!n m,nima de lacolumna# ?aso contrario% los so"ortes ser)n considerados como "ilares ti"o muro#


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Tambi/n% se debe tener en cuenta (ue un mismo elemento "uede ser diseñadocomo "ilar ti"o muro en su direcci!n m)s fuerte y como columna en su direcci!nm)s fuerte#

Refuerzo longitudinal:

El )rea de refuer+o lonitudinal nos ser) menor de 4#47% ni mayor de 4#4; 'eces el)rea bruta de la secci!n A#

Resistencia a la fleión:

La resistencia bia*ial de las columnas no ser) menor (ue la re(uerida "or fle*i!n#?omo se mostr! en el ca",tulo de caras% en el an)lisis de sismo se debenconsiderar dos casos de combinaciones (ue resultan de las fuer+as de sismo endos direcciones "er"endiculares#Los dos casos son e*"resados "or AAS6TO de la siuiente manera0

?aso 70 7#4 9L N 4#J 9T?aso >0 4#J 9L N 7#4 9T

9L D Es la fuer+a en la direcci!n Lonitudinal del "uente#9T D Es la fuer+a en la direcci!n Trans'ersal al "uente#

En el estado l,mite de un e'ento e*tremo% los factores de resistencia 2


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El es"aciamiento no e*ceder) ya sea los 744 mm o un cuarto de la dimensi!nm,nima del elemento#

Requerimientos para pilares tipo muro:

Las dis"osiciones (ue se "resentan a continuaci!n ser)n a"licadas en la direcci!nm)s r,ida del "ilar# Si el "ilar no es diseñado como columna en la direcci!n m)sd/bil% entonces las limitaciones de resistencia factorada al corte ser)n a"licables#El "orcenta$e de refuer+o m,nimo% tanto -ori+ontal Q-% como 'ertical Q' encual(uier "ilar no ser) menor de 4#44># El "orcenta$e de refuer+o 'ertical no ser)menor (ue el "orcenta$e de refuer+o -ori+ontal#El es"aciamiento m)*imo tanto -ori+ontal como 'ertical no e*ceder) 34 mm# El

refuer+o re(uerido "or corte ser) continuo y se distribuir) uniformemente# Laresistencia factorada al corte% r en la columna ser) tomado como el menor de0

r D 4#;; f c bdr D


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Ejemplo de cálculo de es!"#o

CONDICIONES DE CARGA PARA ANALISIS DE SUBESTRUCTURAS PARAPUENTES DE CLAROS CORTOS$1- An)lisis de Estribo.

Diagrama de las subestructuras a diseñar.

7%7 ?ondiciones enerales de cara "ara el Estribo#7#7#7 :istancia entre a"oyos#L D J4%44 mts 8%44 "ies

7#7#> o de ?arriles?arriles D >

7#7#J# Anc-o de ?al+ada# A? D %44 mts

7#7#3# e-,culo de :iseño6S@>4 Se&n norma AAS6TO

7#7## Altura 6idr)ulica#

6 D %44 mts

7#7#;# Resistencia del ?oncretofc D >34%44 =cm

7#7#5# Resistencia del Acero9y D 3>44%44 =cm7#7## Presi!n neta del Suelo#U D 7%4 =cm


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7#7#8# Peso es"ecifico del ?oncreto#Vconcreto D >344%44 =mW

7#7#74# Peso es"ecifico del Suelo#Vsuelo D >444%44 =mW

7#7#77# Peso es"ecifico de mam"oster,a de Piedra#Vmam"# D >44%44 =mW

7#7#7># Es"esor de Losa#Elosa D 4%>4 mts >4%44 cms

7#7#7J# Anc-o de Roda$e#

A#R D ;%44 mts

7#7#73# Es"esor de Asfalto#E#A D 4%4 mts %44 cms

7#7#7# Peso es"ecifico del Asfalto#Vasfalto D 7J44%44 =mW

7#7#7;# Peso adicional 2otros.#Xotros D 744%44 =mEste "eso incluye0 "eso de acera% y "eso de barandales

7#7#75# Peso de ia#X'ia D >44%44 =m 183

1.1.18 peso de camión hs-20

Whs-20= 32727g o 7200000lbs

7%>% ?ondiciones estructurales#7#>#7# ia de ?oncreto I?O7#>#># M/todo de diseño#Load and factor desin 2L9:.9actor de cara y diseño#

7#>#J ?antidad de 'ias#3 'ias de concreto#

7%J% An)lisis de ?ara Muerta% ?ara 'i'a e Im"acto de la su"erestructura#El tambi/n de caras se reali+a "ara un "uente sim"lemente a"oyado% "ila en elcentro y cuatro 'ias% se"aradas dos metros una de cada una# Se anali+ara un "anelde >#44 mts calculando "or todas las 'ias una cara resultante a tambi/n del m/todoL9: 2Load 9actor :esin.#


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7#J#7 ?ondiciones de cara "ara el :iseño de Estribos#

7#J#7#7 ?ara Muerta 2su"erestructura.#Se anali+ara las caras de los elementos (ue so"orta la subestructura y (ue est)ndefinidos en el a"artado J#8#7# dic-as caras muertas son im"ortantes "ara el diseñode a"oyos% estribos y "ilas#

I$ Peso de Los%$Xlosa D Vconcreto * es"esor * Anc-o de roda$e$ Ec$ CC&' Xlosa D >344%44 * 4%>4 ;%44Xlosa D >4%44 =mtsII# Peso de ca"a de asfalto#Xasfalto D Vasfalto * es"esor * Anc-o de roda$e$ Ec$ CC&(

Xasfalto D 7J44%44 * 4%4 * ;%44Xasfalto D J84%44 =m 18!

III$ Peso Ad"c"o)%l *o!os+Xotros D 744 =mI# Peso de ia#X 'ia D >44 =m# ?ara muerta total#Xmtotal D Xlosa N Xasfalto N Xotros N X'ia Ec$ CC, Xmtotal D >4#44 N J84#44 N 744#44 N >44#44Xmtotal D J54 =m

7#J#7#> ?ara 'i'a 2su"erestructura.#El an)lisis de cara 'i'a se determina en base al cami!n de diseño establecido"or la AAS6TO "ara carreteras "rimarias y (ue se encuentra en el a"artado ,$-$($( dic-o ?ami!n es el 6S@>4# Se calcula tambi/n el factor "ara cara de im"acto#

I$ .%co! de C%!/% de Imp%co$

9I D 4 Ec$ CC&0 2L N 7>.9I D 48 N 7>

9I D 4>>J9I D 4#>>II# ?ara de im"acto#? im"acto D X6S@>4 * 9I Ec$ CC&1 ? im"acto D J>5>5#44 * 4%>>? im"acto D 5788#83 =? im"acto D 5>44 =


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III$ Peso Ad"c"o)%l *o!os+

Xotros D 744 =mI# Peso de ia#X 'ia D >44 =m# ?ara muerta total#Xmtotal D Xlosa N Xasfalto N Xotros N X'ia Ec$ CC, Xmtotal D >4#44 N J84#44 N 744#44 N >44#44Xmtotal D J54 =m

'$,$'$( C%!/% 2"2% *supe!es!ucu!%+$El an)lisis de cara 'i'a se determina en base al cami!n de diseño establecido"or la AAS6TO "ara carreteras "rimarias y (ue se encuentra en el a"artado J#8#>#>

dic-o ?ami!n es el 6S@>4# Se calcula tambi/n el factor "ara cara de im"acto#I# 9actor de ?ara de Im"acto#

9I D 4 Ec$ CC&0 2L N 7>.9I D 48 N 7>9I D 4>>J9I D 4#>>

II$ C%!/% de "mp%co$

? im"acto D X6S@>4 * 9I Ec$ CC&1 ? im"acto D J>5>5#44 * 4%>>? im"acto D 5788#83 =? im"acto D 5>44 =

III3 D"s!"#uc"4) de l% c%!/% de "mp%co so#!e l% 2"/%$Xc' D ? im"acto Ec$ CC5 LXc' D 5>44J4

Xc' D >34 =m

'$,$'$, .%co!%c"4) de c%!/% mue!% 6 c%!/% 2"2% *supe!es!ucu!%+$

Xtotal D 7#J4 Xmtotal N 7#;5 Xc' Ec$ CC&7 Xtotal D 7#J4 * J54#44 N 7#;5 * >34#44Xtotal D 3;37#44 N 344#4Xtotal D 437#4 =m


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'$,$( C%lculo de l%s !e%cc"o)es e)%po6os$

I$ A)%l"8%)do el !%mo A&B

U MA D 4RB D XL;4RB D 437# * 844

;4RB D 3J5;>4;4RB D 5;>5 =RB D 75 TON

?omo el an)lisis es de una 'ia de las cuatro (ue "osee el "uentela cara total (ue recibe el estribo es0RBt D 5;3

RBt D J43 TO

Esta reacci!n RBt% es la cara (ue cae sobre el estribo "or el efecto de la su"erestructura#

7#> ?ondicione s enerales de cara "ara el diseño de la +a"ata del estribo#7#>#7 ?alculo de los "esos de su"erestructura% estribo% mam"oster,a y suelo#


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I$ Peso del Es!"#o$XestribD estribo * Vconcret Ec$ CC&9Medida del estribo#

Altura D m Anc-o D 7#mLaro D mestribo D ;4mJXestribo D ;4>344

Xestribo D 73344 =Xestribo D 733 T II# Peso del suelo

Xsuelo D suelo * Vsuelo Ec$ CC&-

'3D27.>3 D >4 mJ D 7#8

D 5; mJsuelo D 8; mJXsuelo D 8;>444Xsuelo D 78>444 = o 78> T


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II$ Peso de :%mpose!;%

Xmam" D mam" * Vmam"# Ec$ CC&'<7 D '=1= D 2'$1=1=(

> D ,$71 = D '971 m,

mam" D 0,71 m,Xmam" D 0,71=(1


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