Tecnología para evitar que los puentes se hundan
(practical.engineering)- Como los puentes deben dejar libre el espacio por debajo para que pasen ríos, vías férreas o carreteras, las cargas de la superestructura se concentran en pilas y estribos, y se necesitan cimentaciones profundas capaces de resistir incluso en suelos fluviales o marinos blandos
- Las cimentaciones con pilotes soportan cargas verticales mediante miembros largos hincados o perforados en el terreno, combinando apoyo de punta al alcanzar estratos firmes y fricción lateral con el suelo circundante
- Los pilotes hincados hacen que el proceso de instalación funcione como una especie de verificación de carga, pero tienen limitaciones como ruido y vibraciones, levantamiento del terreno, desviación de la trayectoria y dificultad para atravesar estratos duros
- El drilled shaft, un pilote colado en sitio, consiste en excavar y luego colocar acero de refuerzo y concreto; bajo el agua se usan camisas y tremie para evitar el colapso del agujero y la dilución del concreto
- Los casos del Millennium Tower y del asentamiento de una pila del Tampa Lee Roy Selmon Expressway en 2004 muestran que incluso las cimentaciones profundas pueden fallar, y que la complejidad de la geotecnia puede derivar en problemas de costos y cronograma
Por qué las cargas de un puente se concentran en el terreno
- La esencia de un puente no es simplemente “pasar por encima” de algo, sino asegurar un espacio vacío por debajo para que pasen ríos, vías férreas o carreteras
- En una carretera común, las fuerzas se transmiten directamente al terreno, pero en un puente las fuerzas que actúan sobre el claro se reúnen en las pilas o estribos de ambos lados
- La subestructura se diseña para ser muy resistente, pero el lugar real de instalación muchas veces no es adecuado para recibir cargas
- Los ríos y el mar suelen tener suelos blandos y fangosos que no soportan bien grandes pesos
- Muchas cimentaciones de puentes se instalan bajo el agua
- Cuando el terreno recibe una carga que no puede soportar, se produce una falla por capacidad portante y la cimentación se hunde en el suelo
- Ese concepto de seguir aplicando carga para hacer que entre más profundo conduce a un elemento estructural ampliamente usado: el pilote de cimentación
Materiales y principio de instalación de los pilotes hincados
- Un pilote es un elemento estructural con forma de columna larga que se hinca o se perfora dentro del suelo
- El volumen 1 de
Design and Construction of Driven Pile Foundationsde la Federal Highway Administration tiene más de 500 páginas, y la introducción aparece recién después de 11 páginas de símbolos y 2 páginas de abreviaturas, lo que muestra la complejidad de esta ingeniería - La historia de los pilotes hincados se remonta a antes de los registros escritos, y el concepto básico es golpear una barra para introducirla en el terreno
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Características según el material del pilote
- Pilotes de madera
- Son baratos, resisten bien las fuerzas de hincado y son fáciles de instalar
- Pueden pudrirse, tienen una longitud limitada por el tamaño del árbol y son menos resistentes que los materiales alternativos
- Pilotes de concreto
- Se fabrican en diversos tamaños y formas, y se usan ampliamente en cimentaciones profundas
- Deben ser grandes para soportar la fuerza necesaria al hincarlos en el terreno; algunos pilotes de concreto tienen 30 pulgadas o 75 cm de ancho o más
- Pilotes de acero
- Pueden fabricarse más delgados que los de concreto
- Sus formas principales son pipe pile y H-pile
- Pilotes de madera
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Por qué se hincan con martillo
- Para empujar un pilote a gran profundidad se necesita una reacción del mismo tamaño
- En lugar de usar enormes pesos o estructuras muy resistentes ancladas al terreno, normalmente se utiliza un martillo
- La energía potencial de una masa relativamente pequeña soltada desde cierta altura se convierte en energía cinética, y la fuerza que detiene la caída se transmite al pilote
- Muchos pile driver generan la fuerza necesaria con un martillo grande o un cabezal vibratorio
Cómo soportan las cargas los pilotes
- El objetivo principal de una cimentación es no moverse aun cuando reciba cargas
- Los pilotes resisten las cargas verticales principalmente de dos maneras
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Apoyo de punta y fricción lateral
- El apoyo de punta ocurre cuando el extremo del pilote, es decir, el toe, llega a una capa de suelo firme o roca y puede soportar cargas mayores
- La geología real es más compleja que el concepto simple de “bedrock”, y no siempre existe un estrato firme a una profundidad razonable
- La fricción lateral o shaft resistance se produce cuando, durante el hincado del pilote, el suelo circundante se compacta y densifica, generando fricción con la pared del pilote
- Mientras más profundo entra el pilote, mayor se vuelve la resistencia por fricción
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La instalación misma funciona como verificación
- Si se golpea repetidamente un pilote con un martillo soltado desde la misma altura, al principio entra cierta distancia y luego, gradualmente, el desplazamiento por golpe disminuye
- El punto en el que el pilote casi no se mueve se denomina técnicamente refusal
- Si se grafica el número de golpes por profundidad, puede verse cómo la resistencia a la carga vertical aumenta a medida que el pilote entra más profundo
- “A Driven Pile is a Tested Pile” de la Pile Driving Contractors Association expresa esta característica: el pilote hincado confirma durante su instalación que puede soportar una fuerza determinada
- Si no se observa suficiente resistencia, en muchos casos se puede hincar más profundo hasta alcanzar la resistencia deseada
Cargas horizontales y limitaciones de los pilotes hincados
- Las estructuras no solo reciben fuerzas que empujan hacia abajo
- Los edificios reciben cargas horizontales por el viento, y los puentes también pueden recibirlas por el agua en movimiento, el hielo o el contacto con embarcaciones
- La flotación causada por inundaciones o los vientos fuertes pueden generar cargas de arrancamiento opuestas a la gravedad
- El suelo alrededor de un puente puede estar en condiciones distintas justo después de la construcción y tras varias inundaciones
- Los ingenieros deben prever la socavación considerando tanto los cambios naturales del lecho como los cambios provocados por el propio puente
- La cimentación debe diseñarse para mantener su resistencia incluso bajo condiciones del terreno modificadas a largo plazo
- Las cargas de las pilas se transmiten y distribuyen hacia los pilotes mediante un pile cap
- Cuando se esperan cargas horizontales severas, se usan battered pile, pilotes instalados con inclinación
- Los pilotes inclinados aprovechan mejor la fricción lateral y aumentan la resistencia de la cimentación frente a cargas horizontales
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Limitaciones de los pilotes hincados
- La instalación de pilotes hincados genera mucho ruido y vibraciones, por lo que puede ser difícil de aceptar en zonas urbanas densas
- Las vibraciones de instalación pueden afectar la infraestructura cercana
- En muchos casos, los pilotes deben diseñarse para soportar durante la instalación fuerzas mucho mayores que las cargas de la estructura final
- No atraviesan fácilmente estratos geológicos duros, grava o piedras grandes
- Como no se puede ver directamente la trayectoria bajo tierra, pueden desviarse del recorrido previsto
- Al introducirse sin retirar suelo, pueden provocar levantamiento del terreno
Drilled shaft y colocación de concreto bajo el agua
- Un drilled shaft consiste en perforar un agujero profundo, colocar acero de refuerzo y luego rellenarlo con concreto
- El manual
Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methodsde la FHWA tiene 747 páginas - En suelos blandos o condiciones húmedas se usa una camisa para evitar que las paredes del agujero colapsen
- La camisa normalmente se instala descendiendo junto con el auger durante la excavación
- Aunque la camisa sobresalga por encima de la superficie del agua, el agua puede filtrarse desde el fondo
- La relación agua-cemento del concreto es importante para su resistencia y desempeño, por lo que si simplemente se deja caer bajo el agua se mezcla con ella y se diluye
- El tremie es un tubo que baja hasta el fondo del agujero; si su extremo se mantiene por debajo de la superficie del concreto, el concreto no se mezcla con el agua
- Como el concreto es más denso que el agua, llena el agujero desde abajo y empuja el agua hacia arriba
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Camisas y método de pile cap
- En instalaciones subacuáticas, a menudo se deja la camisa en su lugar
- Usar la camisa permite reducir la complejidad de la construcción elevando el pile cap dentro o por encima del nivel del agua, en lugar de construir un gran cofferdam y secar el área de trabajo
- Estos high rise pile cap se usan mucho en turbinas eólicas marinas
- Según la situación, después de rellenar con concreto se puede extraer la camisa para ahorrar el costo de enormes tubos de acero
- La presión del concreto puede actuar sobre las paredes del agujero e impedir el colapso del suelo
- Los drilled shaft pueden construirse mucho más grandes que los pilotes hincados, por lo que en algunos casos no se necesitan varios pilotes ni un pile cap
- Las turbinas eólicas y los letreros de autopistas pueden levantarse sobre una mono-pile foundation formada por un solo drilled shaft
- El reaming, que ensancha la base del drilled shaft, aumenta el área superficial del toe, reduce la tendencia al asentamiento y también puede ayudar frente a cargas de arrancamiento
Diversas cimentaciones profundas y casos de falla
- Los sistemas de cimentación profunda no se limitan a los pilotes hincados y los drilled shaft
- El Continuous flight auger pile usa un hollow-stem auger para realizar la excavación y el colado del concreto prácticamente en un solo paso, y después se coloca el acero de refuerzo en el concreto fresco
- La stone column, o la marca comercial Geopier, es un método que rellena el agujero con agregado compactado en lugar de concreto cuando solo se consideran cargas de compresión
- El helical pile o screw pile se introduce en el terreno girándolo en lugar de hincarlo a golpes, reduciendo vibraciones y alteración del suelo
- El micropile se parece a un drilled shaft pequeño usado cuando hay restricciones de acceso o limitaciones geológicas
- El sheet pile es un pilote que se hinca para crear muros o barreras más que cimentaciones
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Las cimentaciones profundas también pueden fallar
- Los pilotes suelen ser mucho más resistentes que las cimentaciones superficiales, pero pueden fallar
- El Millennium Tower de San Francisco es un caso de un rascacielos sobre cimentación con pilotes que se hundió en el terreno y se inclinó
- Parece que la mayor parte del problema fue corregida, pero todavía aparece ocasionalmente en las noticias
- En 2004, una pila del Lee Roy Selmon Expressway en Tampa, Florida, se hundió 11 pies, más de 3 m, durante la construcción debido a una geología compleja
- El costo de reparación fue de 90 millones de dólares y la finalización del proyecto se retrasó un año
- En diseños que confían cargas pesadas al terreno, la ciencia y la técnica de la geotecnia tienen un peso enorme
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Me gustó especialmente el lema de la Pile Driving Contractors Association: “A Driven Pile is a Tested Pile”
La lógica es que, en el momento en que se hinca un pilote, ya se verificó que puede soportar cierta fuerza; y si la resistencia no es suficiente, por lo general basta con hincarlo más profundo hasta obtener suficiente resistencia.
La licuefacción del suelo es un fenómeno extraño, y se parece al Silly Putty: suave si se toca lentamente, pero firme si se le aplica un golpe rápido.
Me pregunto si simplemente se sigue hincando durante muchísimo tiempo, y cuánto tiempo sería eso.
La razón por la que una misma forma de acero se llama tanto I-beam como H-pile es que la forma real es distinta.
Una viga en I busca concentrar la masa en las alas para resistir la flexión, por lo que el alma es más delgada; en cambio, en un pilote H el espesor del alma suele ser similar al de las alas debido a la carga axial y la facilidad de construcción.
En las formas estándar, las vigas en I se dividen en secciones W (wide flange) y S, mientras que las vigas H se llaman secciones HP.
En obras de cimentación a veces se especifican como sustitutas entre sí, pero en estructuras sobre el terreno normalmente se eligen secciones más eficientes, como W o S, en lugar de HP.
Nunca me puse a preguntar ni a corregirlos, porque si lo hacía probablemente habría quedado como alguien bastante fastidioso.
Imagen de referencia: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)
La idea de “¿y si seguimos agregando carga para que se hunda más?” se parece a la técnica básica de ingeniería que usó el padre de Herbert en un pantano en Monty Python and the Holy Grail.
https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA
Todos dijeron que era una locura construir un castillo sobre un pantano, pero lo construí igual, para que vieran, y ese castillo se hundió en el pantano.
El segundo también se hundió; el tercero se incendió, se cayó y luego se hundió en el pantano, pero el cuarto resistió.
Así que lo que vas a heredar es el castillo más fuerte de estas islas.
“¿Qué, las cortinas?”
El “lecho rocoso” entre comillas es un concepto simple, pero la geología real es mucho más compleja.
El lecho rocoso siempre existe, pero en algunos lugares los pilotes tendrían que ser realmente largos para llegar a él.
Por ejemplo, se dice que los depósitos de grava al sur de Múnich alcanzan los 100 m (330 ft) de profundidad y se vuelven menos profundos hacia el norte.
https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain
Debido a ese movimiento de rocas se construyó el viaducto para reemplazar la carretera existente, y la erosión de la ladera obligaba a mover la carretera cada vez más arriba y a agregar más curvas cerradas al infame Zig Zag.
Los desprendimientos de rocas también volvían peligrosa la carretera, y aunque se intentó llegar al lecho rocoso, estaba enterrado demasiado profundo.
https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...
Algunos puentes no se hunden. Porque flotan
https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge
Son el Lacey V. Murrow Memorial Bridge, el Homer M. Hadley Memorial Bridge y el Evergreen Point Floating Bridge, el puente flotante más largo del mundo
https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Homer_M._Hadley_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Evergreen_Point_Floating_Bridg...
Es decir, una vez que terminaron de pagar el costo del proyecto, dejaron de cobrarle a todo el mundo
En Chicago, originalmente el plan era ese también
Para ser una idea innovadora, avanzó bastante rápido
Referencia: https://www.youtube.com/watch?v=gm0YQ3vuyyY
El documental de Ken Burns sobre la construcción del Brooklyn Bridge es realmente interesante porque trata las técnicas de ingeniería y los desafíos que eran innovadores en la segunda mitad del siglo XIX
Además dura alrededor de una hora, así que lo recomiendo mucho
https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/
https://www.amazon.com/Great-Bridge-Story-Building-Brooklyn/...
La empresa japonesa de hincado de pilotes Giken tiene excelentes videos de ingeniería que muestran tecnología de hincado de pilotes sin ruido y casos de uso muy particulares
También hay casos como contener flujos de lava o construir estacionamientos subterráneos para bicicletas en zonas urbanas
https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos
Hoy aprendí que el “Piledriver” no lo inventó la WWE
Algunos puentes se hunden intencionalmente, y otros se hunden por errores de diseño
https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
El autor es Grady Hillhouse
Video: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
Blog: https://practical.engineering/blog/
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