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ESTRIBOS

ESTRIBOS 1. ESTRIBOS

1.1 DEFINICION Los estribos son estructuras que soportan un tramo del puente y proporcionan un apoyo lateral para el material de relleno sobre el cual descansa el camino inmediatamente adyacente al puente, en la práctica se pueden utilizar diferentes tipos de estribos. Componentes de un estribo:

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ESTRIBOS

Capa de rodadura Aparato de apoyo

Losa de aproximacion Pantalla superior

N

Asiento del puente Cuerpo, Pantalla, Alma, Vastago

Respaldo Material Filtro Geotextil

Punta

Tubo de drenaje Talon

Base de la zapata

FIGURA 1 Componentes de un estribo.

1.2 TIPOS DE ESTRIBOS

La variedad de tipos de estribos es muy amplia por lo cual se los puede dividir de diferentes maneras: Estribo tipo gravedad.- Se construyen con concreto simple o con mampostería. Dependen de su peso propio y de cualquier suelo que descanse sobre la mampostería para su estabilidad, apenas se coloca cuantía nominal de acero cerca de las caras expuestas para evitar fisuracion superficial provocada por los cambios de temperatura. Ver Figura 1.2 Cuerpo, Pantalla, Alma, Vastago

Cuerpo, Pantalla, Alma, Vastago

Muro de gravedad de hormigon simple

Muro de gravedad de hormigon armado

FIGURA 2 Estribo tipo gravedad

Estribo tipo semigravedad en voladizo.- Este estribo también conocido como estribo tipo pantalla consiste en una alma, cuerpo o vástago de hormigón y una losa base de hormigón, siendo ambos elementos relativamente esbeltos y totalmente armados para resistir los momentos y cortantes a los cuales están sujetos. Como se puede observar en la Figura 1.3, estos estribos pueden tener alas o

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ESTRIBOS

aleros para retener el terraplén de la carretera. En la Figura 1.3, podemos observar un estribo con las alas perpendiculares al asiento del puente, este es conocido como estribo U. Alero Aleros Cuerpo, Pantalla, Alma, Vastago

Alero Cuerpo, Pantalla,

Punta

Cuerpo, Pantalla, Alma, Vastago

Talon

Muro de semigravedad de hormigon armado tipo pantalla

Estribo con aleros

Estribo U

FIGURA 1.3 Estribo tipo semigravedad en voladizo

Estribo con contrafuertes.- Este estribo consiste en una delgada losa de hormigón (generalmente vertical) que sirve como paramento , soportada del lado interno mediante losas o contrafuertes verticales

que forman ángulos rectos respecto del paramento. Tanto el paramento

como los

contrafuertes están conectados a una losa de base, y el espacio por encima de la losa de base y entre los contrafuertes se rellena con suelo. Todas las losas están totalmente armadas. Ver Figura 1.4.

Contrafuertes

Cuerpo, Pantalla, Alma, Vastago

Muro de semigravedad con contrafuertes de hormigon armado

FIGURA 1.4 Estribo con contrafuertes

Un estribo de caballete sobre pilotes con aleros cortos.- En este estribo los asientos del puente se apoyan sobre una viga la cual es soportada por una fila de pilotes. Ver Figura 1.5.

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ESTRIBOS

Alero

Cabezal Alero

Pilotes

FIGURA 1.5 Estribo de caballete sobre pilotes con aleros cortos

1.1.2.1 SELECCIÓN DEL ESTRIBO El procedimiento para seleccionar el tipo más apropiado de estribo se puede basar en las siguientes consideraciones: 1. Costo de construcción y mantenimiento. 2. Situación del movimiento de tierra, corte o relleno. 3. Tráfico durante la construcción. 4. Periodo de construcción. 5. Seguridad de los trabajadores. 6. Disponibilidad del costo del material de relleno. 7. Profundidad de la superestructura. 8. Medidas del estribo. 9. Área de excavación. 10. Estética con las estructuras adyacentes. 11. Experiencias previas con el tipo de estribo. 1.1.3 ESTADOS LÍMITES Se considera que se ha alcanzado un estado límite cuando un estribo falla para satisfacer su diseño. Los estados límites para el diseño de estribos pueden ser categorizados en: estados límites últimos o de resistencia, estados límites de servicio y estados límites de evento extremo, en el presente trabajo solo se desarrollaran los dos primeros. Estados limites últimos.- Un estribo alcanza un estado limite ultimo cuando la estructura de vuelve inestable. En el estado límite ultimo, un estribo puede experimentar severos esfuerzos y daños estructurales, local y globalmente. También se pueden identificar varios modos de falla en el suelo

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ESTRIBOS

que soporta el estribo, estos también son llamados estados límites últimos: incluyen la falla por capacidad de carga, falla por deslizamiento o resbalamiento, falla por volteo o vuelco. Estados limites de servicio.- Un estribo puede experimentar un estado limite de servicio debido a un excesivo deterioro o deformación. Los estados límites de servicio incluyen excesivos asentamientos totales o diferenciales, movimiento lateral, fatiga, fisuracion. 1.1.4 FACTORES DE CARGA Y DE RESISTENCIA

  1.50 EHsin 1.50 EHsin

EH

1.0 EV

1.50 EHsin 0.90 DC

1.25 DC

1.35 EV

Nivel del agua 1.0 WAV

EH 1.50 EHsin Nivel del agua

1.0 WAV

1.0 WAH

Tipica aplicacion de los factores de carga para determinar la capacidad de carga

1.0 WAH

Tipica aplicacion de los factores de carga para determinar el resbalamiento y la excentricidad 1.75 LS

Capacidad de carga y diseño de la estructura 1.75 LS

Resbalamiento y Excentricidad

Tipica aplicacion de los factores de carga para sobrecarga viva

FIGURA 1.6 Tipicas aplicaciones de factores de carga.

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ESTRIBOS

El método de diseño para las subestructuras se encuentra en las Especificaciones LRFD, el cual puede ser expresado con la condición matemática:

i iQi   Rn 

= factor de resistencia

Rn

= resistencia nominal

i

= modificador de cargas

i

= factor de carga para el componente i

Qi

= componente de carga i

TABLA 1.1 Factores de resistencia para el estado limite de resistencia de las fundaciones superficiales METODO/SUELO/CONDICION Capacidad de carga y empuje pasivo Arena • Procedimiento semiempirico (SPT) • Procedimiento semiempirico (CPT) • Metodo racional usando фf estimado a partir del ensayo SPT usando фf estimado a partir del ensayo CPT Arcilla • Procedimiento semiempirico utilizando datos del ensayo (CPT) • Metodo racional usando la resistencia al corte medida en ensayos de laboratorio usando la resistencia al corte medida en ensayos de molinte in situ usando la resistencia al corte estimada a partir del ensayo CPT Roca Procedimiento semiempirico , Carter y Kulhawy (1988) Ensayo con placa de carga Resbalamiento Hormigon prefabricado colocado sobre arena usando фf estimado a partir del ensayo SPT usando фf estimado a partir del ensayo CPT Hormigon colocado en obra sobre arena usando фf estimado a partir del ensayo SPT usando фf estimado a partir del ensayo CPT Arcilla (cuando la resistencia al corte es menor que 0,5 veces la presion normal) usando la resistencia al corte medida en ensayos en laboratorio usando la resistencia al corte medida en ensayos in situ usando la resistencia al corte estimada a partir de ensayos CPT Arcilla (cuando la resistencia es mayor que 0,5 veces la presion normal) Suelo sobre suelo Componente de empuje pasivo del suelo de la resistencia al resbalamiento

FACTOR DE RESISTENCIA

0,45 0,55 0,35 0,45 0,50 0,60 0,60 0,50 0,60 0,55

0,90 0,90 0,80 0,80

0,85 0,85 0,80 0,85 1,00 0,50

Fuente: Tabla 10.5.5-1 (Especificaciones AASHTO LRFD, 2007)

Factortes de carga.- Los factores de carga son aplicados a las cargas para tomar en cuenta las incertidumbres de las cargas y las solicitaciones. Los factores de carga se puden apreciar en la

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ESTRIBOS

Seccion 2.4.1.4 o en la Tablas 2.3 y 2.4. En la Figura 1.6 se pueden observar tipicas aplicaciones de los factores de carga para determinar la capacidad de carga, resvalamiento y excentricidad. Factores de resistencia.- Los factores de resistencia son usados para tomar en cuenta las incertidumbres de las propiedades estructurales, propiedades del suelo, variabiliadad de la mano de obra, inexactidudes en las ecuaciones de diseño para estimar la resistencia. Estos factores son usados para el diseño en el estado limite ultimo y se los puede apreciar en la Tabla 1.1 1.1.5 FUERZAS EN UN ESTRIBO Las presiones de tierra ejercidas sobre un estribo pueden ser crasificadas en: reposo, activo, pasivo. Cada una de estas presiones de tierra corresponde a diferentes condiciones con respecto a la direccion y magnitud del del movimiento del estribo. Cuando el muro se mueve alejandose del relleno de tierra, la presion de tierra disminuye (presion activa), cuano el muro se muve hacia el relleno de tierra, la presion de tierra aumenta (presion activa). En la Seccion 5.6 se amplia las fuerzas que actuan sobre un estribo. 1.1.6 REQUISITOS DE DISEÑO PARA ESTRIBOS Modos de falla para estribos.- los estribos están sujetos a varios estados limites o tipos de falla como es ilustrado en la Figura 1.7, la falla puede ocurrir dentro el suelo o en los elementos estructurales. La falla por deslizamiento ocurre cuando la presión lateral de tierra ejercida sobre el estribo excede la capacidad de fricción de la fundación. Si la presión de apoyo es mayor que la presión del suelo, entonces ocurre una falla por capacidad de apoyo en la base, la falla por cortante ocurre

en

suelos

arcillosos.

La

falla

estructural

también

debe

ser

revisada

380

ESTRIBOS

Falla por deslizamiento

Falla por capacidad de apoyo y vuelco

Falla por estabilidad global

Falla estructural

FIGURA 1.7 Modos de falla.

Procedimientos de diseño para estribos. Paso 1.- Seleccionar las dimensiones del muro. Paso 2.- Determinar las cargas y las presiones de tierra. Paso 3.- Calcular las fuerzas de reacción en la base Paso 4.- Revisar los criterios de seguridad y estabilidad. a) Ubicación de la componente normal de la reacción

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ESTRIBOS

b) Capacidad de apoyo en la base c) Seguridad frente al deslizamiento Paso

5.-

Revisar

las

dimensiones

del

muro

y

repetir

los

pasos

2-4

hasta

satisfacer el criterio de estabilidad. a) Asentamiento dentro los límites tolerables b) Seguridad frente a la falla por cortante profunda. Paso 6.- Si las dimensiones no llegan a ser razonables, se debe considerar el uso de pilotes.

PASO 1. Dimensiones preliminares.- La Figura 1.8 muestra dimensiones usadas comúnmente para muros de semigravedad tipo pantalla, estas dimensiones pueden ser usadas para una primera prueba del estribo.

N

A H/6aH/4

H

B

C

H/12aH/8 H/6aH/3

H 0.7A A

B

C

FIGURA 1.8 Dimensiones preliminares de un estribo.

PASO 2. Cargas y presiones de tierra.- Las cargas de diseño para un estribo se obtienen usando las combinaciones de carga de las Tablas 2.3 y 2.4 Los métodos para calcular el empuje de presión de tierra sobre el muro se discuten en la Sección 5.6.

PASO 3. Fuerzas de reacción en la base.- La Figura 1. 9 muestra un típico muro tipo pantalla sujeto a varios tipos de carga que causan fuerzas de reacción las cuales son normales a la base (N) y tangentes a la base (Fr). Estas fuerzas de reacción se determinan para las combinaciones de carga en investigación.

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ESTRIBOS

Eje de la Base (Zapata) Xv2 Xw1 Xv1



Relleno retenido

f, f, Kaf V2

Ft=0.5g h2 K x109 V1

W1

h



f

af

H

h/3

W2

C

v

R

e

R = resultante de las fuerzas verticales e = excentricidad de la resultante

B - 2e B B/2

sumando momentos respecto del punto C e

 Ft cos h / 3  Ft sin B / 2 V1 X V 1 V2 X V 2  W1 X W 1 V1  V2  W1  W2  Ft sin 

a) Fundación en suelo

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ESTRIBOS

Eje de la Base (Zapata) Xv2 Xw1 Xv1



Relleno retenido

f, f, Kaf V2



V1

W1

h H

h/3

W2

C

max

R

min

e

B/2 B

R = resultante de las fuerzas verticales e = excentricidad de la resultante

si e  B / 6,  min bajara a cero, y a medida de "e" aumenta tambien aumenta la porcion del talon de la zapata con tension vertical nula. sumando momentos resoecto del punto C: e 

 Ft cos h / 3  Ft sin B / 2 V1 X V 1 V2 X V 2  W1 X W 1 V1  V2  W1  W2  Ft sin 

b) Fundación en roca FIGURA 1.9 Criterios para determinar la presión de contacto en fundaciones en suelo y roca.

PASO 4. Criterio de estabilidad

1. La localización de la resultante en la base (revisión al volteo o vuelco), se determina equilibrando los momentos alrededor del punto C como muestra la figura 1.9. El criterio para la localización de la resultante es que esta deba caer dentro el medio central de la base para fundaciones en suelo, ver Figura 1.9a y dentro los tres cuartos centrales de la base para fundaciones en roca, ver Figura 1.9b. Este criterio reemplaza la revisión de la relación de momentos estabilizantes sobre momentos de vuelco. Para fundación en suelo

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ESTRIBOS

e

B 4

e

3B 8

Para fundación en roca

Donde: e = excentricidad de la resultante, con respecto a la línea central de la base,

B = base de la fundación.

2. La seguridad del estribo frente a la falla por capacidad de carga en la base se obtiene aplicando los factores de resistencia a la capacidad de apoyo última. 

Si el muro es soportado por una fundación en suelo: La tensión vertical se deberá calcular suponiendo una presión uniformemente distribuida sobre el área de una base efectiva como se ilustra en la Figura 1.9a. La tensión vertical se deberá calcular de la siguiente manera:

v 

V B  2e

Donde: V = sumatoria de fuerzas verticales y las demás variables son como se define en la

Figura 1.9a. 

Si el muro es soportado por una fundación en roca: La tensión vertical se deberá calcular suponiendo una presión distribuida linealmente sobre el área de una base efectiva como se ilustra en Figura 1.9b. si la resultante cae dentro del tercio central de la base: 1  6 e   B   V  e 1  6    B B 

 v max   v min

V B

385

ESTRIBOS

Si la resultante cae fuera del tercio central de la base:

 v max 

2 V 3  B / 2   e

 v min  0 3. La seguridad frente al deslizamiento (falla por resbalamiento). La resistencia mayorada se tomara como QR  Qn   Q

Donde:  = factor de resistencia para la resistencia al corte

entre el suelo y la fundación

especificado en la Tabla 1.1 Q = resistencia nominal al corte entre el suelo y la fundación (N)

Si el suelo debajo de la zapata es no cohesivo: Q  V tan 

Para lo cual: tan  = tan  f para hormigón colocado contra suelo

= 0.8 tan  f para zapatas de hormigón prefabricado Donde:

 f = ángulo de fricción interna del suelo (º) V= esfuerzo vertical total (N)

Para zapatas apoyadas sobre arcilla la resistencia al resbalamiento se puede tomar como la cohesión de la arcilla.

PASO 5. Revisión de dimensiones.-

Cuando las dimensiones preliminares del estribo resultan

inadecuadas, estas dimensiones se deben cambiar hasta encontrar las dimensiones adecuadas. Por ejemplo se puede mejorar la estabilidad variando la posición del cuerpo del estribo, el ancho de base

y

la

altura

del

estribo.

386

ESTRIBOS

Ejemplo 1.1 DISEÑO DE ESTRIBO TIPO PANTALLA Diseñar el estribo mostrado en la Figura 1.1-1, este estribo corresponde al puente vehicular sobre vigas postesadas de hormigón armado diseñadas por el método LRFD del Ejemplo 6.8. Datos del puente. Longitud del tramo = 25.5 m. Longitud de cálculo = 25.0 m. Ancho de calzada = 7.3 m. Sobrecarga vehicular = HL-93 Separación ente vigas = 1.9 m. Viga =

Geometría del puente. Según la concepción del modelo estructural, el puente será de dos tramos, los apoyos extremos serán articulados y el apoyo central será fijo. Apoyo Fijo

Apoyo Movil Lc=25.00 m

Apoyo Movil Lc=25.00 m

FIGURA 7.1-1 Geometría del puente

Datos del estribo. 

Propiedades de los materiales Densidad del concreto [A3.5.1]

Wc  2400 kg / m3

Resistencia a la compresión del concreto a los 28 días [A5.4.2.11] f c  28 MPa Resistencia del refuerzo de acero [A5.4.3] 

fy  420 MPa

Recubrimiento de los refuerzos de acero [A5.12.3-1] Recubrimiento de la pantalla superior = 50 mm Recubrimiento del alma o cuerpo = 75 mm Recubrimiento de la cara superior de la fundación = 75 mm Recubrimiento de la cara inferior de la fundación = 75 mm



Propiedades del suelo de fundación y suelo de relleno

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