Pilares de Puentes: Tipos e Importância

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UNIVERSIDAD CATOLICA LOS 
ANGELES DE CHIMBOTE 
FACULTAD DE INGENIERIA 
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL 
 
CURSO : Ingenieria de Puentes 
CICLO : IX 
DOCENTE : Mg.Miguel Chang Heredia 
TRABAJO : Exposición de Pilares. 
 
INTEGRANTES: 
 Montalvan Cordova Confesor. 
 Seminario Ortega Luis Yorsi. 
 
Piura, septiembre – 2016 
 
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PILARES DE PUENTES 
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1.- PILARES. 
En ingeniería y arquitectura un pilar, palabra proveniente del Latín pila, es un 
elemento de soporte o sostén de una estructura, de orientación vertical o casi 
vertical, destinado a recibir cargas (de compresión generalmente) para 
transmitirlas a la cimentación y que tiene sección transversal poligonal. 
 
1.1.- Los Pilares como una subestructura de un puente: 
La subestructura está compuesta por estribos y pilares, quienes transmiten 
la carga al terreno atreves de sus cimientos. 
Los pilares son apoyos intermedios de un puente de dos o más tramos, es 
decir que reciben las reacciones de dos tramos de puentes transmitiendo la 
carga al cimiento. Deben soportar la carga permanente y sobrecargas sin 
asientos, ser insensibles a la acción de los agentes naturales (vientos, 
riadas, etc). 
Los pilares de puente se deberán diseñar de manera que transmitan a las 
fundaciones las cargas de la superestructura y las cargas que actúan sobre 
el propio pilar. Estos generalmente son de concreto armado y se sitúan en la 
parte central. 
La base de una pila de puente es un ejemplo común de zapata sujeta a 
cargas verticales y momento con relación a ambos ejes. Las cargas 
verticales se deben al peso muerto y a la carga viva de la superestructura y 
al peso propio de la pila. Los momentos y fuerzas cortantes en la cimentación 
se producen por fuerzas horizontales, como la fuerza centrífuga y las debidas 
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a la tracción, cabeceo, viento, corriente, y hielo. Para la combinación más 
desfavorable de estas cargas, la presión admisible en el suelo o reacción del 
pilote debajo de la base, ordinariamente se aumenta de 25 a 50 por ciento 
sobre el valor permitido bajo la carga muerta más la carga viva. 
 
 
1.2.- Tipos de Pilares. 
Existen muchos tipos de pilares como se puede observar a continuación. 
Incluso, estos pilares pueden ser de forma hueca para aumentar la rigidez 
del elemento. 
a) Pilares de pórtico abierto con viga cabezal. 
 
 
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b) Pilares de pórtico cerrado con viga cabezal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
c) Pilares tipo pared. 
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Como su nombre lo indica 
consta de una pared transversal 
al eje de longitudinal de la 
superestructura y una zapata 
corrida. El diseño de la pared se 
lo puede realizar como un 
voladizo y al igual que para los 
estribos las cargas que 
soportara la pila se las dividirá 
por su longitud para para 
trabajar con cargas 
uniformemente distribuidas por unidad de longitud. 
 
Geometría. Para el diseño de la pila se utilizó una pila tipo pared o muro 
en voladizo al igual que para los estribos. Sin embargo en el caso de 
pilares se debe tener presente la forma de los mismos pues de estar 
sumergidos deben tener una forma aerodinámica para evitar 
socavación y la formación de vórtices. Se utilizan pilares circulares 
cuando la dirección del flujo es incierta o variante. En la siguiente figura 
se pueden ver las formas algunos pilares sumergidos. 
d) Pilares tipo Marco. 
Las partes a considerar en el análisis de este tipo de pila son el marco, 
compuesto por vigas y columnas, y cimentación. 
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e) Pilares con viga en voladizo o cabeza de martillo. 
 
Este tipo de pila es similar en acción a la tipo pared, pero debido a su 
forma geométrica requiere de un menor volumen de concreto. 
 
Los componentes de una pila tipo martillo que están sujetos a análisis 
son los siguientes cabeza, columna y cimentación. 
 
 
 
 
 
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De vista del material, los pilares pueden ser de mampostería, concreto 
ciclópeo, concreto reforzado o concreto preesforzado. 
 
Las pilares de mampostería y concreto ciclópeo se usan para estructuras de 
poca altura en terrenos resistentes. Mientras que los pilares de concreto 
armado y preesforzado son comunes para alturas mayores. Se puede decir 
que los pilares están compuestos por: 
 
• Base. 
• Cuerpo o fuste. 
• Corona o remate. 
 
Los pilares deben tener formas aerodinámicas en caso de encontrase 
sumergidos. en la siguiente figura se muestran algunas formas de pilares 
sumergidos. De esta manera se evita la socavación y la formación de 
vórtices. En caso de que la dirección del flujo sea incierta o pueda variar se 
recomienda usar pilares circulares. 
Formas de pilares 
 
Al igual que los estribos, los pilares pueden cimentarse con cimentaciones 
superficiales o por medio de pilotes o cilindros hincados. 
 
 
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Tipos de cimentación 
 
1.3.- DETERMINACION DE FUERZAS ACTUANTES. 
1.3.1.- Fuerzas o cargas actuantes. 
Los pilares son los apoyos intermedios de la superestructura del puente. Además, 
tal como los estribos, estas estructuras deben ser capaces de soportar el empuje 
de los rellenos, la presión del agua, fuerzas de sismo y las fuerzas de viento. Estas 
cargas actúan tanto en el sentido longitudinal como en el transversal. 
 
 
 
 
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Donde: 
 
 
 
 
 
1.3.2.- Combinación de cargas. 
Debido a que todas las cargas no actúan simultáneamente, las normas de AASHTO 
especifican varias combinaciones de cargas y fuerzas a las cuales debe estar sujeta 
la estructura. A continuación presentamos la notación para las diferentes cargas: 
 Cargas permanentes: 
 
DD = Fuerza de arrastre hacia abajo. 
DC = Carga muerta de componentes estructurales y no estructurales. 
DW = Carga muerta de superficie de rodadura y dispositivos auxiliares. 
EH = Presión de tierra horizontal. 
ES = Carga superficial en el terreno. 
EV = Presión vertical del relleno. 
 
 Cargas transitorias: 
 
BR = Fuerza de frenado. 
CE = Fuerza centrífuga vehicular. 
CT = Fuerza de choque vehicular. 
CV = Fuerza de choque de barcos. 
EQ = Sismo. 
FR = Fricción. 
IC = Carga del hielo. 
IM = Impacto. 
LL = Carga viva vehicular. 
LS = Carga viva superficial. 
PL = Carga viva peatonal. 
SE = Asentamiento. 
WL: Carga de viento sobre la carga viva. 
LL: Carga viva vehicular. 
CE: Fuerza centrífuga vehicular. 
WS: Carga de viento sobre la estructura. 
 
DC: Carga muerta de componentes 
estructurales y no estructurales. 
EQ: Sismo. 
WA: Carga de agua y presión del flujo. 
BR: Fuerza de frenado. 
 
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SH = Contracción. 
TG = Gradiente de temperatura. 
TU = Temperatura uniforme. 
 WA = Carga de agua y presión del flujo. 
WL = Carga de viento sobre la carga viva. 
WS = Carga de viento sobre la estructura. 
 
1.3.3.- Determinación de cargas 
a) CARGAS HIDRÁULICAS: WA 
 
Presión Hidrostática.- Actúa de forma perpendicular a la superficie, y se 
calcula como el producto entre la altura de la columna de agua sobre el 
punto considerado, la densidad del agua y g (aceleración de la gravedad). 
 
Flotabilidad.- Fuerza de levantamiento tomada como la sumatoria de las 
componentesverticales de las presiones hidrostáticas. Actúa sobre todos 
los componentes debajo del nivel de agua. 
 
Presión de Flujo 
La presión de flujo de agua, actuando en la dirección longitudinal de las 
subestructuras, se tomará como: 
 
 
 
Donde: 
 
p = presión del agua (kg/m 
 
V2 = velocidad del agua para la inundación de diseño (resistencia y 
servicio) y para la inundación de control (evento extremo), en m/s 
 
CD = coeficiente de arrastre para pilas. 
p = 52.4CDV2 
 
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Coeficiente de Arrastre 
 
La fuerza de arrastre longitudinal será el producto entre la presión de flujo 
longitudinal y la proyección de la superficie expuesta a dicha presión. 
 
Carga Lateral. 
La presión lateral uniformemente distribuida que actúa sobre una 
subestructura debido a un caudal de agua que fluye formando un ángulo θ 
respecto del eje longitudinal de la pila será: 
 
 
Donde: 
p = presión lateral (kg/m) 
CL = coeficiente de arrastre lateral 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 p = 52.4CLV2 
 
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Carga del Oleaje: Se deberá considerar si se anticipa que se pueden 
desarrollar fuerzas de oleaje significativas. 
 
Socavación: Se deberá considerar en los estados límites de resistencia y 
servicio. 
 
 
b) CARGA DE VIENTO: WL y WS. 
 
Presión Horizontal del Viento. 
 
El viento es una carga lateral del sobre los puentes. Su magnitud depende 
entre otros factores de velocidad del viento, del ángulo de ataque del 
mismo y de la forma del puente. Las cargas del viento deben consistir en 
cargas móviles uniformemente distribuidas aplicadas al área expuesta de 
la estructura 
 
La carga de viento se asume está uniformemente distribuida sobre el área 
expuesta al viento. Para puentes a más de 10 m sobre el nivel del terreno 
o del agua, la velocidad de viento de diseño se deberá ajustar con: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Donde: 
VDZ = velocidad del viento de diseño a la altura de diseño Z (km/h) 
V0 = velocidad friccional (km/h) 
 
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V10 = velocidad del viento a 10 m sobre el nivel del terreno o agua de 
diseño (km/h). En ausencia de datos V10 = V =160 km/h 
VB = velocidad básica del viento igual a 160 km/h a una altura de 10 m 
Z0 = longitud de fricción del fetch o campo de viento aguas arriba (m) 
Z = altura de la estructura > 10 m 
 
 
 
 
 
 
 
Presión de Viento sobre las Estructuras: WS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Donde: 
PD = presión del viento de diseño 
P B = presión básica del viento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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La carga de viento total no se deberá tomar menor que 449 kg/m en el plano 
de un cordón a barlovento ni 224 kg/m en el plano de un cordón a sotavento 
de un componente reticulado o en arco, ni se deberá tomar menor que 449 
kg/m en componentes de vigas o vigas cajón. 
 
 
 
1.4.- Estabilidad de pilares. 
 
Las pilas se proyectarán para soportar adecuadamente a la superestructura, 
esto es deberán brindar seguridad contra volteo alrededor de los extremos 
inferiores de la base, contra deslizamiento en la base y contra aplastamiento 
del material de fundación. Sin embargo es importante mencionar que en el 
proceso de diseño deberán tomarse previsiones para evitar que los suelos 
sufran deslizamientos o asentamientos excesivos que pongan en peligro la 
estabilidad de toda la estructura. 
 
Los pasos estudiados para el análisis de la estabilidad de estribos son 
igualmente aplicables para el análisis de estabilidad de pilas en ambos 
sentidos, tomando en cuenta las siguientes consideraciones: 
 
 No es común tomar en cuenta el empuje activo de tierras en el análisis 
de la pila, debido a que las presiones ejercidas en el perímetro de las 
mismas son, por lo general, similares. Sin embargo, ante situaciones 
de topografía irregular en el sitio del emplazamiento o socavación en 
un solo lado de la pila, podría ser necesaria su inclusión. 
 
 Debido a que las pilas en el proceso de construcción de un puente se 
completan mucho antes de recibir las cargas muertas y vivas de la 
superestructura y que durante este periodo están expuestas a 
distintas solicitaciones, deberán revisarse para las condiciones con y 
sin superestructura. La estabilidad de la pila con viento sobre la 
fachada frontal es crítica sin la superestructura. 
 
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 Al evaluar el peso propio de la pila y el peso del terreno sobre la base 
de ésta, es necesario considerar el efecto de la presión hidráulica 
ascendente. Debe tomarse en cuenta que esta última solicitación ha 
de considerarse en los cálculos de estabilidad aún en las 
cimentaciones sumergidas apoyadas sobre roca, puesto que el agua 
bajo la presión probablemente penetrará por las grietas a las juntas 
del concreto y la roca. 
 
 Las pilas que están situadas en cursos de agua tienen ciertas áreas 
expuestas a la corriente. En estos casos es necesario considerar el 
efecto de la presión del flujo de la misma, principalmente en aquellos 
cursos de agua en los que la velocidad de la corriente es elevada. 
Esta carga induce momentos de volteo y efectos de deslizamiento en 
la base de la misma. 
 
 
ALGUNOS EJEMPLOS DE PILARES: 
 
Ejemplo: Determinar el empuje por flotación por la presencia del nivel 
freático en la zapata de la columna mostrada que corresponde al pilar de un 
puente. La zapata tiene como dimensiones en planta 4.00m x 4.00m. 
Solución: 
La fuerza de empuje por flotación B es: 
 
B = γV = 1 T/m³ (4m x 4m x 0.50m) 
B = 8 T 
 
 
 
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Donde: 
V = volumen de agua que desplaza la zapata 
γ = peso específico del agua