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  • 837-8-3

    Patologa. Refuerzo deencepados sobre pilotes

    Por Antonio Gonzlez Serrano

    Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

    Jefe del Departamento de Patologa yEstructuras de Hormign

    IBERICADE ESTUDIOSE INGENIERA,S.A. (IBERINSA)

    Tecn soia a mia tea,Sembri soia o meu nabal,Soia vou por lea 0 monte,Soia a vexo arder no lar.

    A mi madrein memoriam

    Rosala de Castro

    SINOPSIS

    En el presente artculo se expone el sistema utilizado para reforzar unos encepados so-bre pilotes de grandes dimensiones que estaban infradimensionados para las cargas de servi-cio de la estructura.

    Se dise un refuerzo activo, empleando el pretensado con armaduras postesas comoun sistema de fuerzas compensador de las cargas externas. De esta forma se reforzaron losencepados, simultneamente, a flexin, cortante y punzonamiento.

    Introduccin

    Los encepados sobre pilotes, cuyo refuerzo es el objeto de esta publicacin, eran degrandes dimensiones y reciban cargas muy importantes. En efecto el canto de estos encepa-dos era de 25 m a 3,5 m; se apoyaban en 4,8, 12 o hasta en 24 pilotes, de 150 m a 2,00m de dimetro, y las compresiones transmitidas por los soportes eran del orden de las 4.500tn.

    161

  • En una determinada fase de la construccin de la estructura, que fu cuando se solicitel asesoramiento de Iberinsa, la armadura pasiva de los encepados, de acero A.E.- SON, esta-ba trabajando a una tensin de traccin de 3.700 a 4.500 Kg/cm2 calculada sta ltima me-diante el clculo clsico de secciones solicitadas a flexin simple. Anlogamente, en elcalculo hecho con solicitaciones tangentes se encontr que, las tensiones medias de cortante,medidas en las secciones crticas, variaban de 4 a 48 Kg/cm2 y las tensiones tangencialesdebidas al punzonamiento, medidas tambin en las correspondientes secciones crticas, llega-ban hasta valores de 12 Kg/cm 2 En esta fase, las cargas transmitidas por la estructura erantan slo del 50 al 60 por 100 del valor definitivo y era preciso disear un refuerzo eficaz quepermitiera la terminacin de la obra.

    Eleccin de la solucin a adoptar

    Se pensaron diversas soluciones de refuerzo que se fueron desechando por las razonesque se exponen a continuacin:

    No fue posible proyectar un recrecido superior de los encepados, porque el elevado es-pesor de estos recrecidos se opona al objetivo final del proyecto. Por otro lado, como la ar-madura estaba prcticamente agotada a flexin, o trabajando a tensiones muy elevadas, elrecrecido til hubiese sido de 8 a 12 metros de espesor y entonces se pona en duda la efi-cacia de la solucin por la baja cuanta de la armadura dispuesta que haca temer roturasfrgiles. Adems, para hacer trabajar a un recrecido de tales dimensiones conjuntamente conel encepado, en el que las cargas van desde la base de los soportes a la cara inferior de los pi-lotes, era preciso disponer elevadas cuantas de acero de conexin entre el encepado y el re-crecido, lo cual resultaba prohibitivo.

    Anlogas razones se pueden dar en el caso de proyectar un recrecido inferior, ademsde las dificultades que se presentaban para hacer las excavaciones, donde el nivel fretico eraun factor que lo haca prcticamente prohibitivo.

    Tampoco fue posible bicomprimir horizontalmente los encepados, por las enormes can-tidades en tn x m de acero activo que hubiesen sido necesarias. Adems, todo el pretensado,con armaduras postesas, no se poda colocar ntegramente a lo largo de los cuatro bordes, yaque, debido a las grandes dimensiones de los encepados, la distribucin de las tensionestransmitidas distaba mucho de ser uniforme y se requera, entonces, colocar elementos de ri-gidizacin muy importantes o disponer el acero activo uniformemente a lo largo de todo elencepado, lo que haca prcticamente inviable la solucin.

    La solucin adoptada, que fue la que emple la menor cantidad de acero activo de to-das las que se estudiarion, al utilizar el pretensado como un sistema de fuerzas compensadorde las cargas externas, permiti disminuir las tensiones tengenciales debidas al cortante y alpunzonamiento, y al mismo tiempo disminuir las tensiones de traccin en la armadura pasi-va inicial, lo que permiti, a su vez, la continuacin de las obras. De esta forma, los encepa-dos se calcularon en clase III, que es como realmente trabajan bajo las cargas definitivas.

    La solucin consisti en proyectar un pretensado adherente, con armaduras postesas enforma de V, como se ve en la figura 1 (que se refiere al caso ms simple de un encepado dedos pilotes), que disminuy el estado tensional del encepado frente a solicitaciones normalesy frente a solicitaciones tangentes.

    En la figura 2, se dibujan las elipses de tensiones, es decir el plexo-tensional, de un en-cepado de 2 soportes y 8 pilotes, que por simplificacin de clculo se redujo a un problemaplano en dos dimensiones. El clculo se hizo con un programa de elementos finitos rectangu-lares isoparamtricos IPQQ, mediante el programa STRUDL del MIT, en un ordenador IBM4331 y se dividi el encepado en 5 x 22 elementos rectangulares, con 385 nudos. Como se

    162

  • Fig. l.-Sistema nulo de

    fuerzas externas aplica-do sobre una zapata tipo

    aprecia claramente en la figura, las isostticas de comprensin van desde los soportes hastalos pilotes segn lneas que se asemejan a las bielas comprimidas del antiguo mtodo de lasbielas, que tratan las publicaciones (1) a (8) que se recogen en la bibliografa. En sentido or-togonal, se intuyen fcilmente las isostticas de traccin que toman una forma cncava haciaarriba. Estas tracciones principales son las que, al quererlas coser mediante un pretensadocon armaduras postesas, nos llevaron a la solucin propuesta para el refuerzo.

    Descripcin del proceso de ejecucin de la solucin adoptada

    Las diferentes fases del proceso de ejecucin de la solucin adoptada se esquematizanen las figuras 3 10. En estas figuras se dibuja, por simplificacin, el caso de un encepado dedos pilotes; aunque la descripcin que se hace del refuerzo es ms general y se refiere a un en -cepado cualquiera con varios pilares y apoyado en varios pilotes.

    En la figura 3, que se denomina Estado Inicial, se representa el encepado antes de serreparado.

    En la figura 4, que se denomina Galeras y Pozos, se representan las galeras que funecesario realizar por debajo de los encepados, que sirvieron para alojar los anclajes ciegos opasivos del sistema de pretensado elegido que fue el B.B.R.V. Normalmente se hicieron dospozos por cada soporte, comunicados entre s por una galera situada por debajo del ence-pado.

    En la figura 5, que se denomina Taladros, se representa la proyeccin de los taladrosque fue preciso hacer por cada soporte. Estos taladros inclinados se definen, en proyeccin,por la interseccin del plano superior del encepado con el eje del pilote y por la interseccindel eje del soporte con el plano inferior del encepado. El nmero de taladros necesario se de-fini en el proceso de clculo, como ms adelante se ver.

    En esta fase se quiere resaltar que, como la tensin en el acero pasivo del encepado eramuy elevada y estaba prxima al valor de su lmite elstico, no se poda cortar ningn re-dondo en la cara inferior de los encepados, al hacer los taladros. Con este fin, se hacan unasrozas en la cara inferior del encepado y en el eje de los soportes; sto permita replantear laposicin de los redondos que se tuvieron as en cuenta al disear el plano con la posicin delpretensado. Adems, se hacan unos cajetines en la cara inferior del encepado donde tenanque aflorar los taladros; y si algn taladro sufra alguna desviacin superior a la admisible, secambiaba de sitio; y si sto no era posible, entonces, se le daba continuidad al redondo queinterceptaba el taladro, puentendolo con dos redondos y dos chapas.

  • Fig. 2.-Elipses de tensiones de un encepado de dos soportes y ocho pilotes.

  • Fig. 3.-Estado inicial.

    En la figura 6, que se denomina Enfilado de Tendones, se esquematiza la posicinde los tendones, con los anclajes activos en la cara superior del encepado y los anclajes ciegosen la cara inferior del encepado. Los anclajes, tanto activos como pasivos, se disearon espe-ciales para este refuerzo, aumentando las dimensiones de las placas de reparto con objeto deque las presiones transmitidas al hormign no superasen los 150 Kg/cm2. Esto se hizo as,para disminuir el valor de las tensiones transversales de traccin que se originan en el interiorde un macizo por la aplicacin de cargas concentradas (vase la referencia 9 de la bibliogra-fa), ya que alguna de estas tracciones se producan en el hormign del encepa,do, que erade resistencia H-l 75; y por ello convena bajar las tensiones de traccin a valores admisibles.

    Los tendones estaban compuestos por alambres de 7 mm de dimetro, que se combina-ban llegando a constituir tendones de 300 tn de potencia; y en algunos casos, se emplearontendones de hasta 500 tn de potencia.

    Como estos tendones eran muy cortos, ya que su longitud no superaba nunca los cincometros, se eligi un sistema de pretensado, como fue el B.B.R.V., que no tuviese penetracinde cuas, ya que los alargamientos al tesar eran muy pequeos. Por esta misma causa, se di-searon los tendones rectos; ya que si el tendn se curvaba, la diferencia de longitud, en un

    Fig. 4.-Galeras Y pozos.

    165

  • Fig. 5.-Taladros.

    mismo mazo, entre el alambre de mayor radio de curvatura con respecto al de menor radiode curvatura, era superior al alargamiento que tomaban al tesar.

    Los tendones se enfilaban desde abajo hacia arriba, usando un calcetn de traccin.Todos sus alambres estaban cortados con la misma longitud. El anclaje ciego vena totalmen-te terminado y el anclaje activo se remachaba en obra haciendo en cada alambre la clsica ca-beza recalcadas del sistema.

    En esta fase, se colocaban tambin las vainas en las zonas del tendn que quedaban fue-ra del encepado. Estas vainas se sellaban contra el encepado y tambin se disponan los tu-bos de purga para la futura inyeccin.

    En la figura 7, que se denomina Colocacin de Armaduras, se representan:

  • Fig. 7.-Colocacin d e armaduras.

    Las armaduras de la losa superior del encepado que sirve para alojar a los anclajes ac-tivos.

    Las armaduras de la galera inferior, que sirve para alojar a los anclajes ciegos. Esta gale-ra se armaba longitudinalmente como una viga flotante, apoyada en el hormign delencepado y sometida a las acciones del pretensado. Tambin se esquematizan en la misma fi-gura las armaduras dispuestas para absorber las tensiones transversales de traccin, tanto pri-marias como secundarias, que se originan por la aplicacindel pretensado (vase bibliogra-fa, 9). Tambin se pueden ver en la misma figura los caballetes que se dejaban perdidos, yque servan para apoyar los anclajes pasivos.

    8.-Hormigona do losa superior.

    167

  • Fig. 9. -Hormigonado

    Por ltimo, tambin se ve la tubera vertical que se dejaba alojada en la galera parahormigonar y que ser objeto de un comentario posterior.

    En la figura 8, que se denomina Hormigonado Losa Superior, se esquematiza esta fa-se que consiste en hormigonar la losa superior del encepado que, como se ha dicho antes,serva para alojar a los anclajes activos. El hormign era un H-300, con tamao mximo derido 15 mm; y la puesta en obra se hizo mediante bombeo.

    En la figura 9, que se denomina Hormigonado Galera Inferior, se esquematiza estafase de la ejecucin del refuerzo. En las figuras 7 y 8 se ve una tubera que se dejaba en dis-tintos puntos de la galera inferior y que sirvi para hormigonar esta zona. El hormigonadose hizo desde el centro de la galera hacia los dos pozos extremos, a fin de poder comprobary asegurar que no quedaban zonas sin hormigonar entre la galera y el encepado.

    eFig. lo.-Tesado

    168

    inyeccin.

  • El transporte del hormign se realiz por bombeo y la compactacin del mismo se hizopor vibracin mediante vibradores acoplados a unos dispositivos, que funcionando al modode alargaderas, permitan vibrar toda la masa del hormign fresco.

    En la figura 10, que se denomina Tesado e Inyeccin, se esquematizan estas fasesde la ejecucin del refuerzo. Nada nuevo hay que decir al respecto ya que en estas fases delrefuerzo se siguieron las normas de buena prctica de la ejecucin del pretensado.

    Como resumen de todo este proceso diremos que el pretensado introducido acta co-mo un sistema de fuerzas nulo e isosttico, respecto a cada encepado, considerado ste comopieza rgida (vase figura 1 ), que reduce el plexo-tensional producido por las cargas externas.El objeto del refuerzo (vase figura ll) es crear una especie de celosa en el interior del ence-pado, que lo descarga de las fuertes compresiones que recibe de los soportes. Efecto que esmejorado al establecer el pretensado adherente.

    La fotografa nm. 1 muestra una galera inferior tpica, con pilotes de 2 m de dime-tro; y se puede ver la roza que se haca en la cara inferior del encepado para replantear la ar-madura principal del mismo, como ya se ha descrito.

    Las fotografas 2 y 2 bis se corresponden con otra galera inferior, donde se pueden ver losanclajes ciegos o pasivos con sus vainas y los tubos de inyeccin. Tambin se v el montajede la armadura pasiva longitudinal y transversal de las galeras y el montaje de un tubo dehormigonado.

    En la fotografa nm. 3, se ven 4 mazos de alambres de $J 7, una vez enfilados y antesde colocar los anclajes activos.

    En la fotografa nm. 4 se ve la colocacin de 5 anclajes activos, de 250 tn, en la carasuperior de un encepado.

    En la fotografa nm. 5 se ve el tesado de uno de los tendones de 250 tn de potencia.

    Fig. 1 l.-Forma de trabajo de una zapata tipo.

    169

  • Descripcin del mtodo de clculo de la solucin adoptada

    El organigrama del proceso de clculo se recoge en la figura 12; y los diferentes aparta-dos del mismo es lo que se comenta a continuacin.

    - Con (1) se denominan los Datos. Estos datos de partida son las caractersticas geo-mtricas de cada encepado y las solicitaciones que le transmite la estructura.

    - Con (2) se denomina la Deduccin de las reacciones en los pilotes y clculo de lassolicitaciones en el encepado.

    Para la deduccin de las reacciones en los pilotes, se supone el encepado infinitamen-te rgido y se admite que los pilotes son piezas elsticas que toman cargas proporcio-nalmente a sus acortamientos, sin que sea preciso cuantificar su rigidez, la cual sloinfluye en los movimientos del encepado, pero no influye en el valor de las reaccio-nes de los pilotes, ni en el estado tensional del encepado. Dicho de otro modo; co-mo todos los pilotes son verticales y de longitudes sensiblemente iguales, la distri-bucin de las reacciones sobre los distintos pilotes se calcula por las frmulas clasicasde la flexin compuesta.

    Se quiere hacer patente que el pretensado que va actuar sobre los encepados es unsistema de fuerzas nulo e isosttico con respecto al encepado, considerado este lti-mo como pieza infinitamente rgida, y no modifica los valores de las reacciones delos pilotes.

    - Con (3) se denomina el Diseo en rotura del pretensado en estado definitivo.

    En esta fase se calcula, a uno y otro lado de cada soporte, el pretensado necesario pa-ra tener un coeficiente de seguridad determinado. En este clculo se determina elpretensado necesario, tanto a flexin como a esfuerzo cortante y/o a punzonamien-to, y se elige el valor mayor. De esta forma se hallan dos pretensados diferentes a ca-da lado del pilar, con valores distintos de sus componentes horizontales. A continua-cin se igualan las componentes horizontales de ambos pretensados, mayorando enla proporcin necesaria el pretensado con proyeccin horizontal menor. Esto se hadecidido as para no modificar el plexo-tensional en la zona rayada del encepadocomprendida entre soportes, como se indica en la figura 13. En efecto, si las reaccio-nes exteriores del pretensado en A y B, considerado este ltimo como un sistemanulo de fuerzas externas al encepado, no fuesen verticales (cosa que ocurre cuandolas componentes horizontales de los pretensados a cada lado del soporte no soniguales) la cara A B podra quedar traccionada y el encepado no tena armadura sufi-ciente para soportar esas tracciones, que adems llegaban a ser muy importantes.

    El pretensado se dise en clase III, en estado definitivo, como pretensado adhe-rente.El calculo del encepado a flexin, a cortante y a punzonamiento, sobre todo en lorelativo a la definicin de las secciones de referencia y a las tensiones de compara-cin a cortante y a punzamiento, se ha hecho segn las directrices de la E.H.- 80, yaque el artculo de la misma que trata de zapatas, encepados y losas de cimentacin,lo ha redactado la Comisin Permanente del Hormign en base a una propuesta derevisin del Grupo IV, Elementos estructurales, de la que fue ponente el autor deeste artculo.

    En las bibliografas (10) a (18) se resean una serie de artculos y libros que se con-sultaron y que sirvieron de base para resolver este problema.

    170

  • .., I i

    ,

    FOTO l.-Galera inferior tpica, con pilotes de 2 m de dimetro.

    FOTO S.-Galera inferior, donde se pueden ver los anclajes ciegos.

  • FOTO 2 bis.-Galera inferior,

    donde se pueden ver los ancla-

    jes ciegos.

    FOTO 3.-Cuatro mazos dealambres de @ 7, una vez en-

    ,filados y antes de colocar losanclajes activos.

    FOTO 4.-Colocacin de cincoanclajes activos de 250 tn, en lacara superior de un encepado.

    1 7 2

  • FOTO 5.-Tesado de uno de los tendones de 250 tn de potencia.

    Con (4) se denomina la Comprobacin del Pretensado en rotura y con cargas detini-tivas, sin considerar la adherencia de la losa superior con el encepado.

    Como en la cara superior del encepado no se tomaron medidas especiales para asegu-rar la transmisin de los esfuerzos rasantes que se producen entre la cara superior delencepado y la losa superior, no se ha contado con el espesor de la losa superior alconsiderar el canto del encepado en los clculos hechos en el apartado (3), aunque sise ha tenido en cuenta la componente horizontal de dicho pretensado. En este apar-tado (4), se rehace el clculo prescindiendo de la componente horizontal del preten-sado en la cara superior del encepado, que se supone que se puede transmitir total-mente como una compresin a travs de la losa superior.

    En esta fase se comprueba que el pretensado diseado en el apartado (3) es suficien-te con los mismos coeficientes de seguridad all adoptados, ya que en caso contrariose incrementa el pretensado calculado en el apartado 3 en la magnitud necesaria paraque se verifiquen las hiptesis del apartado (4).

    Con (5) se denomina la Deduccin de tensiones en clculo clsico en las diferentesetapas.

    En este apartado se calculan, en rgimen elstico, es decir mediante el clculo clsi-co, las tensiones normales y tangenciales en el denominado estado actual (vase figu-ra 3). Tambin se calculan las tensiones en el llamado estado actual, con cargas mxi-mas y mnimas, ms el pretensado inicial no adherente (sin prdidas diferidas). Pos-teriormente, se establece la adherencia y se calculan diversos estados sucesivos hastallegar al estado definido por las cargas finales de la estructura (mximas y mnimas)con el pretensado final adherente, es decir una vez experimentadas todas las prdi-das.

    En este apartado, se comprueba que las tensiones que se consideraron admisibles pa-ra los diversos materiales no se sobrepasaron en ninguna de las diferentes etapas delclculo estudiadas.

  • (1) D A T O S

    (*) DEDUCCION D E R E A C C I O N E S E N L O S P I L O T E SY CALCULO DE SOLICITACIONES DEL ENCEP ADO

    * (3)DISEO EN ROTURA DEL PRETENSADO CONCARGAS DEFINITIVAS.

    COMPROBACION DEL PRETENSADO EN ROTURA I(Ll CON CARGAS DEFINITIVAS SIN CONSIDERAR AUMENTAR EL

    LA ADHERENUA DE LA LOSA SUPERIOR CON EL PRETENSADO

    ENCEPADO.

    (5) C L A S I C O E N L A S D I F E R E N T E S E T A P A S IPRETENSADO

    I A R M A D O A L A L O S A S U P E R I O R Y(1 D E L A GALERIA I N F E R I O R . I P R E C I S A R E F U E R Z O

    T R A N S V E R S A L ?

    NO

    FIN DELCALCULO

    I

    Fig. 12.-Organigrama del proceso de clculo.

    1 7 4

  • Fig. 13

    - Con (6) se denomina Se cumplen las condiciones de fisuracin?, y en este aparta-do se calcula la mxima abertura de fisuras, lo cual es ya inmediato, una vez conoci-das las tensiones en el acero en las distintas etapas de clculo. Si la abertura m-xima de fisura es inferior a la admisible, se da por finalizado el clculo del pretensa-do y si no fuera as se incrementa el pretensado en la magnitud necesaria hasta cum-plir esta condicin.

    - Con (7) se denomina Armado de la losa superior y de la galera inferior, que nopresenta ningn problema nuevo que sea preciso resaltar.

    - Con (8) se denomina iPrecisa refuerzo transversal?

    Como los soportes eran muy alargados, el refuerzo bast, normalmente, proyectarloen sentido perpendicular al lado mayor de los soportes. No obstante, en este aparta-do se comprobaba si era preciso proyectar un refuerzo transversal u ortogonal al quese consider usual, y si as ocurra, se diseaba el refuerzo siguiendo el esquema declculo que se ha indicado.

    Este clculo se mecaniz en un microordinador; lo que nos permiti hacer varios tan-teos, con la flexibilidad y rapidez que es usual en estos casos, a fin de elegir siempre la solu-cin ptima ms econmica en cada caso concreto.

    Bibliografa

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    (19) Captulo 5 Footings por Fritz Kramrisch, del libro Handbook of Concrete Engineering editadopor Mark Finted, Van Nostrand Reinhold Company (1974).

    La calidad en un Mundo de Recursos Limitados

    - 27 Congreso Anual de la EOQC.- Organizado por la Asociacin Espaola para el Control de la Calidad.- Madrid, Junio 1983.

    La evolucin tecnologtca, la escasez de matertas primas, el aumento del coste de laenerga, la explosin demogrfica, la aspiracin a un mejor nivel de vida en todos los pases,especialmente en los pases en vas de desarrollo, supone un reto para la humanidad. Estedebe ser seriamente afrontado y su solucin supondr, sin duda, un cambio sustancial de losconceptos que hasta el momento presente han sido la base de las actividades sociales, eco-nmicas y tecnolgicas del mundo.

    Estas soluciones debern tener en cuenta mejores diseos, procesos ms eficaces y unautilizacin ms racional de las materias primas que, unido a una adecuada Gestin de Cali-

    176