8. Pilotes (Intro).pdf
- 1. nov-21 1 PARTE C. CIMENTACIONES PROFUNDAS UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL UNIDAD DE POSGRADO Dr. Ing. Jorge E. Alva Hurtado Msc. Ing. Álvaro J. Pérez Zúñiga www.jorgealvahurtado.com C.1. INTRODUCCIÓN
- 2. nov-21 2 5.22. Cimentación por Pilares.- Cimentación profunda, en la cual la relación Profundidad/Ancho (Df/B) es mayor o igual que 5, siendo Df la profundidad enterrada y B el ancho enterrada del pilar. El pilar es excavado y vaciado en el sitio. 5.23. Cimentación por Pilotes.- Cimentación profunda en la cual la relación Profundidad/Ancho (d/b) es mayor o igual a 10, siendo d la longitud enterrada del pilote y b el ancho o diámetro del pilote. 5.25. Cimentación Profunda.- Aquella que transmite cargas a capas del suelo mediante pilotes, pilares u otros elementos que transmitan las cargas no comprendidas en el numeral 5.26. 5.26. Cimentación Superficial.- Aquella en la cual la relación Profundidad/Ancho (Df/B) es menor o igual a 5, siendo Df la profundidad de la cimentación y B el ancho o diámetro de la misma. DEFINICIÓN Norma E-050. Suelos y Cimentaciones (2018): ¿Cuándo usar Cimientos Profundos? • Los suelos superiores son débiles y/o las cargas estructurales tan altas que los cimientos superficiales serían demasiado grandes. Una buena regla general para los edificios es que los cimientos superficiales dejan de ser económicos cuando el área total de las zapatas excede aproximadamente una cuarta parte del área de la huella del edificio. • Los suelos superiores están sujetos a erosión o socavación. Esto sería especialmente importante con cimentaciones para puentes. • La base debe penetrar a través del agua, como las de un muelle. • Se requiere una gran capacidad de tracción (la capacidad de tracción de un cimiento superficial se limita a su peso muerto). • Se requiere una gran capacidad de carga lateral.
- 3. nov-21 3 ¿Cuándo usar Cimientos Profundos? • Habrá una futura excavación adyacente a los cimientos y esta excavación socavaría los cimientos poco profundos. En algunas de estas circunstancias, una platea de cimentación puede ser apropiada, pero la alternativa más común es algún tipo de cimiento profundo. Una cimentación profunda es aquella que transmite una parte o la totalidad de la carga aplicada a suelos muy por debajo de la superficie del suelo. Estos cimientos típicamente se extienden a profundidades del orden de 10 a 20 m por debajo de la superficie del suelo, pero pueden ser mucho más largos, tal vez extendiéndose hasta 45 m. Se han utilizado longitudes incluso mayores en algunas estructuras marinas, como las plataformas de perforación petrolera. Dado que los suelos generalmente mejoran con la profundidad y este método moviliza un mayor volumen de suelo, las cimentaciones profundas a menudo pueden soportar cargas muy grandes. • Pilotes hincados: Consisten en elementos estructurales prefabricados que se clavan en el suelo. TIPOS DE CIMIENTOS PROFUNDOS
- 4. nov-21 4 • Pilotes perforados: Son un tipo de pilote vaciado (colado) en el lugar que se construye perforando un orificio, colocando el acero de refuerzo en el orificio y luego llenándolo con concreto. TIPOS DE CIMIENTOS PROFUNDOS • Pilotes de barrena: Son otro tipo de pilote de vaciado in situ que se construye con un taladro de vástago hueco. La lechada se bombea a través de la barrena mientras se extrae del orificio, luego el acero de refuerzo se coloca en la lechada fluida. Hay dos tipos, pilotes de perforación in situ y pilotes de desplazamiento perforado TIPOS DE CIMIENTOS PROFUNDOS
- 5. nov-21 5 También está disponible una variedad de otras tecnologías de pilotes. Aunque no se utilizan tan ampliamente, cada uno de estos métodos especializados tiene sus propias ventajas únicas que son útiles en determinadas situaciones. Éstas incluyen: • Pilotes con bombas hidráulicas, que son similares a los pilotes hincados excepto que el pilote se empuja en lugar de golpear en el suelo. • Los cimientos inyectados a presión (también conocidas como pilotes Franki) se construyen golpeando concreto húmedo en un agujero revestido, que forma una base expandida y compacta los suelos adyacentes. • Los micropilotes se asemejan a pilotes perforados de muy pequeño diámetro (menor a 30 o 40 cm). • Los pilotes helicoidales consisten en tornillos de acero que se aprietan en el suelo. • Anclajes, que es un término amplio y se refiere a cimientos profundos que están destinados principalmente a resistir cargas de tracción. Pilotes Barrenados Sin desplazamiento Barrena continua Desplazamiento medio Barrena con desplazamiento parcial Alto desplazamiento Barrena con desplazamiento completo Pilotes Hincados Alto desplazamiento Madera De concreto prefabricado Tubos con punca cerrada Bajo desplazamiento Pilotes H Tubos de Punta Abierta Hincados en Hoyos preescavados o inyectados Pilotes Excavados Sin desplazamiento Excavación sin Soporte Hoyo abierto Excavación con soporte Entubado (Casing) temporal Entubado (Casing) permanente Lleno de lodo Clasificación de Pilotes (Adaptado de Prezzi y Basu, 2005 y U.S. Army, 1998)
- 6. nov-21 6 PARTES DE UN PILOTE PILOTES HINCADOS Pilotes prefabricados de concreto pretensado Secciones Típicas
- 7. nov-21 7 PILOTES HINCADOS Martillos. IZQ martillo de un acto, DER martillo de dos actos PILOTES HINCADOS Cabezal y configuraciones típicas (adaptado de CRSI, 1992).
- 8. nov-21 8 PILOTES EXCAVADOS Barrena con dientes endurecidos Barrena de enraizamiento en forma de espiral Barril sacatestigos Arriba: Barrena de cangilones; y Abajo brocas de percusión de varios rodillos (Fuente: ADSC - The International Association of Foundation Drilling). PILOTES EXCAVADOS Construcción de un pilote excavado, en seco
- 9. nov-21 9 PILOTES EXCAVADOS Las ventajas: • Los costos de movilizar y desmovilizar un equipo de perforación son a menudo mucho menores que los de un martillo. • El proceso de construcción genera menos ruido y vibración. • Los ingenieros pueden observar y clasificar los suelos excavados durante la perforación y compararlos con las condiciones de diseño. • La longitud del pilote puede cambiar fácilmente durante la construcción para compensar las condiciones imprevistas del suelo. • La base puede penetrar a través de suelos con guijarros o cantos rodados, especialmente cuando el diámetro del pilote es grande. También es posible penetrar muchos tipos de lecho rocoso. • Por lo general, es posible sostener cada columna con un eje grande en lugar de varios pilotes, eliminando así la necesidad de cabezal. PILOTES EXCAVADOS Las desventajas: • El éxito de la construcción depende en gran medida de las habilidades del contratista. • El hincado de pilotes empuja el suelo hacia un lado, aumentando así los esfuerzos laterales en el suelo y generando más capacidad de fricción lateral. Sin embargo, la construcción del hoyo elimina el suelo , por lo que los esfuerzos laterales permanecen constantes o disminuyen. Este efecto se compensa, al menos parcialmente, por una superficie de contacto más rugosa entre el concreto y el suelo y el coeficiente de fricción correspondientemente más alto. • El hincado de pilotes densifica el suelo debajo de la punta, mientras que la construcción del pilote excavado no lo hace. Por lo tanto, la capacidad de carga del extremo de la unidad en los ejes puede ser menor. • Las pruebas de carga a gran escala son muy caras.
- 10. nov-21 10 CAISSONS Vista Planta La palabra Caisson se deriva del francés caisse, que significa cofre o caja. Describe una caja hueca o cilindro prefabricado que se hunde en el suelo hasta la profundidad deseada y luego se rellena con hormigón, formando así una base. Los cajones se han utilizado con mayor frecuencia en la construcción de pilares de puentes y otras estructuras grandes que requieren cimentaciones debajo de ríos y otros cuerpos de agua porque los cajones pueden flotar hasta el sitio de trabajo y hundirse en su lugar. Vista Corte C.2. PILOTES: TRASFERENCIA DE CARGA
- 11. nov-21 11 Cimiento Superficial Cimiento Profundo Suelo Superficial Suelo Profundo Fricción Lateral, Ps Resistencia Punta, Pt Comparación de los Mecanismos de transferencia de carga en cimentaciones superficiales versus pilotes Transferencia de cargas estructurales: (a) cargas axiales de compresión, (b) cargas axiales tracción y (c) cargas laterales. (a) (b) (c)
- 12. nov-21 12 TRANSFERENCIA DE CARGA AXIAL Los pilotes transfieren las cargas axiales aplicadas al suelo a través de dos mecanismos: Por punta y fricción lateral. La resistencia de punta es el resultado de la compresión carga entre el fondo del pilote y el suelo, y por lo tanto es similar a la transferencia de carga desde las zapatas superficiales al suelo subyacente. La resistencia a la fricción lateral, es el resultado de la fricción deslizante a lo largo del perímetro del pilote y la adherencia entre el suelo y el pilote. Sea q la resistencia de apoyo de la punta, entonces: Pt es la carga axial movilizada entre la punta del pilote y el suelo subyacente y At es el área de contacto de la punta del pilote. TRANSFERENCIA DE CARGA AXIAL El valor de f casi siempre varía a lo largo de la pila, ya que el tipo de suelo y las condiciones de esfuerzos in situ varían con la profundidad. La resistencia de fricción lateral de la unidad movilizada, f, es la fuerza lateral transferida desde el pilote al suelo, Ps, por unidad de área de contacto lateral del pilote, As: q′ = resistencia neta en la punta Los pilotes transfieren una carga axial aplicada hacia abajo (o de compresión), P, al suelo a través de una combinación de punta y fricción lateral:
- 13. nov-21 13 ÁREAS DE CONTACTO Pilotes de Sección Cerrada: El contacto cimiento-suelo ocurre a lo largo de una superficie bien definida alrededor de su perímetro. Esto incluye prácticamente todos los pilotes excepto los pilotes en H y los pilotes de tubería de extremo abierto. Debido a su geometría simple, es fácil calcular las áreas de contacto de fricción lateral y de la punta, At y As. El valor de diseño de At es simplemente el área de la punta del pilote (es decir, el área de sección transversal sólida), mientras que As para un estrato particular es el área de la superficie de cimentación en contacto con ese estrato. Los pilotes de sección cerrada con bases agrandadas, como los pozos perforados con fresado inferior o las inyectadas a presión, son un poco más complejas. Usamos el área de la base completa para calcular At, pero consideramos As solo en la parte recta del eje, ignorando el lado de la ampliación. ÁREAS DE CONTACTO Pilotes de Sección Abierta: Los pilotes de sección abierta (incluidos los pilotes de tubos de acero de extremo abierto y los pilotes de acero en H) son aquellos que tienen contactos mal definidos entre la base y el suelo. Estos contactos mal definidos hacen que sea más difícil calcular At y As. Cuando se hincan pilotes de tubería de extremo abierto, inicialmente corta el suelo, y el área de apoyo de la punta, At, es igual al área de la sección transversal del acero. Sin embargo, el suelo ingresa al interior de la tubería a medida que el pilote avanza hacia abajo. En algún momento, la tierra dentro de la pila se incrusta rígidamente y comienza a moverse hacia abajo con la pila. Entonces se ha convertido en un tapón de suelo, y el área de apoyo de la punta se convierte en el área de la sección transversal del pilote y el tapón de suelo. En otras palabras, el pilote ahora se comporta casi igual que una tubería de extremo cerrado.
- 14. nov-21 14 ÁREAS DE CONTACTO Pilotes de Sección Abierta: En pilotes de tubería de acero de extremo abierto, el tapón de suelo puede considerarse incrustado rígidamente cuando la relación de empotramiento a diámetro, D/B, es mayor de 10 a 20 (en suelos cohesivos) o de 25 a 35 (en suelos sin cohesión). CAPACIDAD DE CARGA Hay una serie de enfoques diferentes para determinar la capacidad de carga nominal de la punta, qn, y la capacidad de fricción del lado de la unidad nominal, fn, todos son una combinación de teoría y empirismo en diferentes grados. En términos generales, los métodos se pueden clasificar en tres grupos: • Pruebas de carga estática, que consisten en construir un prototipo de pilote de tamaño completo en el sitio del proyecto, aplicar una serie de cargas de prueba y determinar experimentalmente la capacidad del pilote. • Métodos de análisis estático, que consisten en calcular las capacidades unitarias con base en las propiedades del suelo y otros factores. • Métodos dinámicos, que utilizan un análisis de la cinemática del hincado de pilotes u otras cargas dinámicas para determinar la capacidad estática del pilote. Cada método tiene sus propias ventajas, desventajas, incertidumbres y metodologías, y cada uno es aplicable a situaciones específicas.
- 15. nov-21 15 CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE ÚLTIMO El estado límite último geotécnico (ULS) aborda la transferencia de cargas axiales del pilote al suelo y la capacidad del suelo para soportar estas cargas. En otras palabras, estos métodos aplican los valores de Pn y Pu, al proceso de diseño. Hay dos metodologías para hacerlo: diseño de esfuerzos admisibles (ASD) y diseño de factor de carga y resistencia (LRFD). El ULS estructural aborda la capacidad estructural del propio pilote para soportar los esfuerzos inducidos por la carga estructural. Una vez más, se utilizan los métodos ASD y LRFD. CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE ÚLTIMO Diseño de esfuerzos admisibles (ASD). 𝑃𝑢 = 𝑃𝑛 𝐹𝑆 Factor de Seguridad. • El tipo e importancia de la estructura y las consecuencias de la falla - Los cimientos para estructuras críticas, como puentes importantes, deben tener un factor de seguridad más alto • El tipo de suelo: utilice un factor de seguridad más alto en suelos cohesivos. • La variabilidad espacial del suelo. Los perfiles de suelo erráticos son más difíciles de evaluar y, por lo tanto, justifican el uso de un factor de seguridad más alto. • La minuciosidad del programa de exploración del subsuelo. • El tipo y número de pruebas de suelo realizadas. • La disponibilidad de resultados de pruebas de carga estática y/o dinámica a gran escala en el sitio o cercanas. • La probabilidad de que las cargas de diseño ocurran realmente durante la vida útil de la estructura: es poco probable que algunas estructuras, como los edificios de oficinas, produzcan las cargas vivas de diseño, mientras que otras, como los tanques, probablemente lo harán.
- 16. nov-21 16 CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE ÚLTIMO Método de control durante la construcción Factor de Seguridad Compresión (1) Tensión Prueba de Carga Estática con Análisis de Ecuación de Onda 2.00 (2) 3.00 (2) Prueba de Carga Dinámica con Análisis de Ecuación de Onda 2.25 4.00 Pilotes de Prueba con Análisis de Ecuación de Onda 2.50 5.00 Análisis de Ecuación de Onda 2.75 5.50 Fórmulas de Hinca (3) 3.50 6.00 (1) Hannigan et al. 2006 (2) Si el programa de prueba de carga estática es muy extenso, los factores de seguridad para cargas hacia abajo y hacia arriba podrían reducirse a aproximadamente 1.7 y 2.5, respectivamente. (3) Hannigan y et al. se refiere específicamente a la fórmula de Gates. CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE DE SERVICIO Los diseños de pilotes cargados axialmente también deben satisfacer los requisitos del estado límite de servicio (SLS). El asentamiento es un requisito importante de SLS para la carga en compresión y el levantamiento para la carga en tensión. Los valores permitidos deben determinarse utilizando los métodos discutidos en las clases anteriores, y el diseño debe satisfacer el siguiente criterio: , asentamiento total. a, asentamiento admisible.
- 17. nov-21 17 CAPACIDAD DE CARGA: ESTADO LÍMITE DE SERVICIO Movilización de la resistencia. Ninguna de estas resistencias (punta o fricción) puede desarrollarse sin la correspondiente deformación (asentamiento) del pilote. Por lo tanto, además de evaluar las capacidades nominales, también debemos saber algo sobre el asentamiento requerido para movilizar estas capacidades. TRANSFERENCIA DE CARGA LATERAL Carga lateral aplicada a un pilote Distribución uniforme de los esfuerzos cuando la carga lateral es nula. A medida que aumenta la fuerza cortante, los esfuerzos laterales aumentan en la dirección del desplazamiento del pilote y disminuye en el lado opuesto del pilote.