Cálculo de pilotes sometidos a cargas laterales. Aplicación a cimentaciones para postes ferroviarios

Es frecuente el uso de cimentaciones tipo pilote para soportar cargas laterales o una combinación de cargas laterales y axiales. Los pilotes en sí muestran un comportamiento esencialmente elástico, pero el sustrato que los rodea puede estar en estados variables entre elástico y plástico y además puede sufrir degradación cíclica. Es por eso que el diseño de este tipo de miembros estructurales representa un problema complejo de interacción suelo-estructura. En general, se puede categorizar a los pilotes cargados lateralmente en largos y cortos. En un pilote corto, la zona empotrada se puede considerar como sólido rígido bajo la acción de las cargas. La clasificación en pilote corto o largo es función no sólo de la geometría del pilote sino del comportamiento tensión-deformación tanto del pilote como del terreno. Los pilotes se caracterizan por su rigidez EI y los terrenos por su relación tensión-deformación, generalmente expresada en términos del coeficiente de balasto horizontal o de las curvas py. Algunos de los métodos más frecuentemente aplicados para calcular este tipo de estructuras son los Broms, Sulzberger, Método ORE y Método p-y. El presente trabajo describe estos métodos y los aplica a un caso práctico de cimentaciones para líneas aéreas de electrificación ferroviaria. A continuación se resume brevemente cada uno de estos métodos. 0.1. SULZBERGER El método de Sulzberger es específico para el cálculo de cimentaciones de líneas eléctricas. Tiene en cuenta macizos de sección cuadrada, rectangular y circular. Sulzberger considera que bajo cargas laterales el macizo rota como sólido rígido alrededor de un punto situado a 2/3 de la profundidad total del pilote. Asume que para pequeños desplazamientos, el comportamiento del suelo es elástico. El parámetro que utiliza para modelar el suelo es el “coeficiente de compresibilidad”, que aumenta linealmente con la profundidad. Contribuyen al momento estabilizador tanto la base como la superficie lateral, con una contribución que depende del grado de giro del macizo. Cuando la reacción en el fondo supone un porcentaje importante del momento resistente, es necesario aplicar un factor de seguridad. 0.2. ORE El método ORE es particular para cimentaciones de catenaria, fue desarrollado por la UIC. Se trata de un método empírico, se desarrolló una fórmula para calcular el momento de vuelco basada en los resultados de ensayos a escala reducida y posteriormente corregida tras realizar ensayos sobre casos reales. Se determinó que la naturaleza de los suelos no juega un papel importante en el momento resistente del macizo, que depende fundamentalmente de las dimensiones de la cimentación, el peso específico del suelo, el espesor del terreno que no trabaja, el sentido del momento en relación a la vía y la configuración del terreno (llano, desmonte o terraplén). A esta fórmula corregida se le aplica un factor de seguridad de 3, que es el que fue determinado para garantizar que los desplazamientos laterales son admisibles. 0.3. BROMS Broms desarrolló un método para calcular los desplazamientos y momentos de pilotes en suelos cohesivos y no cohesivos utilizando la teoría del coeficiente de balasto. Mediante este método se pueden analizar pilotes aislados de cualquier longitud, libres o con restricción a la rotación en la cabeza. Broms limita este método a cargas de servicio que se encuentren entre 1/3 y ½ de la carga última. Para este rango de cargas, Broms asume que el suelo es linealmente elástico. Adicionalmente, para simplificar el análisis, consideró que para suelos cohesivos el coeficiente de balasto es constante con la profundidad y que aumenta linealmente con ésta en suelos no cohesivos. Para el cálculo de la carga última en suelos cohesivos, Broms asume una distribución de la reacción del suelo uniforme e igual a 9 veces el diámetro por la resistencia a cortante del suelo, excepto para la parte más cercana a la superficie en la que considera que el sustrato no ofrece resistencia. En suelos no cohesivos considera que la reacción del suelo aumenta con la profundidad, alcanzando una resistencia última de 3 veces el empuje pasivo de Rankine. La figura 0-1 muestra los modos de fallo descritos por Broms dependiendo de la longitud del pilote y su restricción en cabeza.0.4. P-Y La teoría del coeficiente de balasto contempla que el comportamiento del suelo que rodea un pilote cargado lateralmente es sustituible por el de una serie de muelles independientes. Esto no quiere decir que el suelo sea linealmente elástico, o que se deba usar una variación con la profundidad concreta del módulo del suelo, que sería la constante del muelle. En ocasiones se considera que el suelo es linealmente elástico o que el módulo del suelo varía de una determinada manera, para obtener soluciones rápidamente con fórmulas sencillas. Gracias al uso de ordenadores no es necesario hacer estas simplificaciones. Las curvas p-y permiten relacionar la reacción del suelo con el desplazamiento de forma arbitraria, para una profundidad determinada. La forma de las curvas p-y es fuertemente no lineal, y depende del tipo del suelo a estudiar. Los programas desarrollados para la aplicación del método p-y utilizan la forma en diferencias finitas de la ecuación diferencial que gobierna el problema, y mediante la iteración resuelven los esfuerzos y desplazamientos del pilote, previa introducción de la correspondiente curva p-y. Diversos autores han desarrollado modelos de curvas p-y para los suelos más frecuentes, que dependen de unos parámetros fundamentales que caracterizan ese tipo de suelo