Cajón (ingeniería)

En ingeniería geotécnica , un cajón ( / ˈk eɪ s ən , - s ɒ n / ; tomado del francés caisson  'caja', del italiano cassone  'caja grande', un aumentativo de cassa ) es una estructura de contención estanca ^[1] utilizada, por ejemplo, para trabajar en los cimientos de un pilar de puente , para la construcción de una presa de hormigón , ^[2] o para la reparación de barcos . ^[3]

Los cajones se construyen de tal manera que se pueda bombear el agua, manteniendo seco el entorno de trabajo. Cuando se construyen pilares utilizando un cajón abierto y no es práctico alcanzar un suelo adecuado, se pueden colocar pilotes de fricción para formar una subcimentación adecuada. Estos pilotes están conectados por una losa de cimentación sobre la que se erige el pilar de columna.

La ingeniería de cajones se ha utilizado al menos desde el siglo XIX, y tres ejemplos destacados son el Puente Royal Albert (terminado en 1859), el Puente Eads (terminado en 1874) y el Puente de Brooklyn (terminado en 1883). ^[4]

Para instalar un cajón en su lugar, se lo baja a través de lodo blando hasta encontrar un material de base adecuado. Si bien se prefiere el lecho de roca , a veces se utiliza un lodo duro y estable cuando el lecho de roca es demasiado profundo. Los cuatro tipos principales de cajón son el cajón de caja , el cajón abierto , el cajón neumático y el cajón monolítico . ^[5]

Un cajón es una caja de hormigón prefabricada (con lados y fondo); se coloca sobre bases preparadas. Una vez en su lugar, se llena de hormigón para convertirse en parte de las obras permanentes, como la base de un pilar de un puente. Las estructuras de hormigón huecas suelen ser menos densas que el agua, por lo que un cajón debe lastrarse o anclarse para evitar que flote hasta que pueda llenarse de hormigón. A veces pueden requerirse sistemas de anclaje elaborados, como en zonas de mareas . Los sistemas de anclaje ajustables combinados con un estudio GPS permiten a los ingenieros colocar un cajón con precisión milimétrica. ^{[ cita requerida ]}

Un cajón abierto es similar a un cajón de cajón, excepto que no tiene una cara inferior. Es adecuado para su uso en arcillas blandas (por ejemplo, en algunos lechos de ríos), pero no para donde pueda haber grandes obstrucciones en el suelo. Un cajón abierto que se utiliza en terrenos blandos o niveles freáticos altos, donde las excavaciones de zanjas abiertas no son prácticas, también se puede utilizar para instalar pozos de registro profundos, estaciones de bombeo y pozos de recepción/lanzamiento para microtunelaje , hincado de tuberías y otras operaciones. ^{[ cita requerida ]}

Un cajón se hunde con el peso propio, con hormigón o con agua como lastre colocado encima, o con gatos hidráulicos. El borde de ataque (o zapata de corte ) del cajón está inclinado hacia afuera en un ángulo agudo para facilitar el hundimiento de manera vertical; normalmente está hecho de acero. La zapata es generalmente más ancha que el cajón para reducir la fricción, y el borde de ataque puede estar provisto de lodo de bentonita presurizado , que se hincha en el agua, estabilizando el asentamiento al rellenar depresiones y huecos. Un cajón abierto puede llenarse de agua durante el hundimiento. El material se excava con una pala excavadora de concha sobre una grúa. ^{[ cita requerida ]}

Es posible que el subsuelo del nivel de formación aún no sea adecuado para la excavación o la capacidad de carga . El agua en el cajón (debido a un nivel freático alto) equilibra las fuerzas de empuje ascendente de los suelos blandos que se encuentran debajo. Si se desagua, la base puede "entubarse" o "hervir", ^{[ aclaración necesaria ]} haciendo que el cajón se hunda. Para combatir este problema, se pueden hincar pilotes desde la superficie para que actúen como:

• Muros de carga , en cuanto transmiten cargas a suelos más profundos.
• Anclas, ya que resisten la flotación debido a la fricción en la interfaz entre sus superficies y la tierra circundante en la que han sido clavadas.

Las secciones de vigas en H (secciones típicas de columnas, debido a la resistencia a la flexión en todos los ejes) pueden hincarse en ángulos "rastrillados" hacia la roca u otros suelos más firmes; las vigas en H se dejan extendidas por encima de la base. Se puede colocar un tapón de hormigón armado debajo del agua, un proceso conocido como colocación de hormigón tremie . Cuando se desagua el cajón, este tapón actúa como un cabezal de pilote, resistiendo las fuerzas ascendentes del subsuelo. ^{[ cita requerida ]}

Un cajón monolítico (o simplemente monolito ) es más grande que los otros tipos de cajón, pero similar a los cajones abiertos. Este tipo de cajones se encuentran a menudo en los muros de los muelles, donde se requiere resistencia al impacto de los barcos. ^{[ cita requerida ]}

Los cajones poco profundos pueden estar abiertos al aire, mientras que los cajones neumáticos (a veces llamados cajones presurizados ), que penetran el lodo blando , son cajas sin fondo selladas en la parte superior y llenas de aire comprimido para mantener el agua y el lodo fuera en profundidad. Una esclusa de aire permite el acceso a la cámara. Los trabajadores, llamados sandhogs en inglés americano, mueven el lodo y los escombros de roca (llamados muck ) desde el borde del espacio de trabajo hasta un pozo lleno de agua, conectado por un tubo (llamado tubo de lodo ) a la superficie. Una grúa en la superficie retira la tierra con un balde de almeja . La presión del agua en el tubo equilibra la presión del aire, y el exceso de aire escapa por el tubo de lodo. El flujo de aire presurizado debe ser constante para garantizar cambios de aire regulares para los trabajadores y evitar la entrada excesiva de lodo o agua en la base del cajón. Cuando el cajón golpea el lecho de roca, los sandhogs salen a través de la esclusa de aire y llenan la caja con hormigón, formando un pilar de cimentación sólido. ^[6]

Un cajón neumático (de aire comprimido) tiene la ventaja de proporcionar condiciones de trabajo en seco, lo que es mejor para colocar el hormigón. También es adecuado para cimientos en los que otros métodos podrían provocar el asentamiento de las estructuras adyacentes. ^{[ cita requerida ]}

Los trabajadores de la construcción que abandonan el entorno presurizado del cajón deben descomprimirse a un ritmo que permita la liberación sin síntomas de los gases inertes disueltos en los tejidos corporales si quieren evitar la enfermedad por descompresión , una afección identificada por primera vez en los trabajadores de cajones y que originalmente se denominó "enfermedad del cajón" en reconocimiento del riesgo ocupacional. La construcción del Puente de Brooklyn , que se construyó con la ayuda de cajones presurizados, provocó la muerte o lesiones permanentes de numerosos trabajadores por la enfermedad del cajón durante su construcción. ^[7] El barotrauma de los oídos, las cavidades sinusales y los pulmones y la osteonecrosis disbárica son otros riesgos. ^[8]

• Los cajones también se han utilizado en la instalación de ascensores hidráulicos donde se instala un ariete de una sola etapa debajo del nivel del suelo. ^{[ aclaración necesaria ]}
• Los cajones, cuyo nombre en código era Phoenix , eran una parte integral de los puertos Mulberry utilizados durante la invasión aliada de Normandía en la Segunda Guerra Mundial . ^[9]

• Cajones elevadores de barcos : La palabra cajón también se utiliza como sinónimo de la parte móvil del canal de las esclusas de cajón , elevadores de canal y rampas en las que descansan los barcos y buques mientras son elevados de una elevación del canal a otra; el agua se retiene en el interior del cajón, o se excluye del cajón, según el principio de funcionamiento respectivo. ^{[ cita requerida ]}
• Cajones estructurales : El término cajón también se utiliza a veces como término coloquial para referirse a una estructura de hormigón armado formada mediante el vertido en un encofrado cilíndrico hueco, normalmente colocando un encofrado de cajón por debajo del nivel del suelo en una excavación abierta y vertiendo una vez que se ha completado el relleno, o perforando a nivel del suelo, aunque esto puede ser problemático con los cajones profundos, ya que las excavaciones sin soporte pueden derrumbarse antes de que se pueda insertar el encofrado de cajón. De esta manera, la tierra colocada alrededor del encofrado de cajón vacío proporciona estabilidad y resistencia, lo que permite verter el hormigón con menos complicaciones y con menos riesgo de que se reviente el encofrado. Aunque, técnicamente, solo el encofrado en sí es en realidad un cajón, no es raro que cualquier pilar de hormigón colado por debajo del nivel del suelo se denomine, simplemente, cajón . ^{[ cita requerida ]}
• Sistemas de filtración de ventilación : La palabra cajón también se utiliza como nombre para una carcasa hermética para filtros de ventilación en instalaciones que manejan materiales peligrosos. La carcasa suele tener un compartimento anterior para un elemento de prefiltro y un compartimento posterior para un elemento de filtro de alta eficiencia. Puede tener varios conjuntos de compartimentos. La carcasa tiene puertas de acceso con juntas para permitir el cambio de los elementos de filtro. La carcasa suele estar equipada con puntos de conexión que se utilizan para probar la eficiencia de los filtros y monitorear los cambios en la presión diferencial a través del medio filtrante. ^{[ cita requerida ]}

• Cajón de succión  : Anclaje de tubo de fondo abierto incrustado y liberado por diferencial de presión
• Planta de campana de buceo con esclusa de aire  : barcaza de apoyo a trabajos submarinos utilizada en Gibraltar, cajón de ingeniería móvil montado en barcaza utilizado en el puerto de Gibraltar
• Ataguía  – Barrera que permite bombear líquido fuera de un área cerrada, una estructura temporal que excluye el agua y que se construye en el lugar, que a veces rodea un área de trabajo como lo hace un cajón abierto.
• Ingeniería geotécnica offshore  – Subcampo de la ingeniería que se ocupa de las estructuras creadas por el hombre en el mar, para obtener información sobre consideraciones geotécnicas.

• Patente estadounidense 123.002 – Mejora en la construcción de cimientos subacuáticos

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• Obras relacionadas con Caisson en Wikisource