1.4 Estudio y critica de los Métodos para el Diseño de Pilotes: Para determinar la capacidad de carga en pilotes se han desarrollado fórmulas y criterios que pueden agruparse en cuatro clases que se citan a continuación:
Pruebas de Cargas. Métodos Dinámicos. Ensayos de Penetración.
5 OTRO TIPO DE CIMENTACIÓN CIMENTACIONES PROFUNDAS CIMENTACIONES SUPERFICIALES EJECUCIÓN DE PLANOS Y ESPECIALIDADES NO SI Diseño de Cimentaciones sobre Pilotes.
PROCESO DE DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN
OBTENER INFORMACIÓN ESTRUCTURAL, DETALLES DE PROYECTO Y CARACTERÍSTICAS DEL SITIO.
OBTENER GEOLOGÍA DEL SITIO
OBTENER INFORMACIÓN SOBRE CIMENTACIONES EN EL SITIO
DESARROLLAR Y EJECUTAR PROGRAMAS DE EXPLORACIÓN DEL SUELO
EVALUAR INFORMACIÓN SELECCIONAR EL TIPO DE CIMENTACIONES
SELECCIONAR EL TIPO DE PILOTE CALCULAR LA CAPACIDAD DE CARGA Y LA LONGITUD DEL PILOTE
CALCULAR ASENTAMIENTOS
EFECTO DE GRUPO
DISEÑO ESTRUCTURAL
¿DISEÑO SATISFACTORIO?
6 .4.1 Diseño de Cimentaciones sobre Pilotes.
Métodos Estáticos basados en la teoría de Plasticidad
Prueba de Carga: El método más seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayoría de los lugares, es la prueba de carga [Juárez (1975), Sowers (1977), Paulos and Davis (1980), Bras(1999) Jiménez (1986), Lambert (1991), Sales(2000), Fellenius (2001), Ibañez (2001), Vega Vélez (2005), Lourenco(2005)]. Dentro de ella se han desarrollado la prueba de asiento controlado (controlando el incremento de asiento o a una velocidad de asiento constante) y la prueba con carga controlada (incremento de carga constante en el tiempo o asiento mínimo para un incremento de carga). Este último es el más usado, ya que permite determinar la carga última cuando se ha movilizado la resistencia del suelo que se encuentra bajo la punta y rodeando al pilote.
En esencia, estas pruebas, no son más que experimentar a escala real, un pilote, para procesar su comportamiento bajo la acción de cargas y determinar su capacidad de carga. Precisamente, su inconveniente fundamental estriba en su elevado costo y en el tiempo requerido para realizarla.
Sowers (1977), recomienda que los resultados del ensayo son una buena indicación del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan después de un período de tiempo. Jiménez (1986) muestra preocupación ya que el pilote de prueba puede representar o no la calidad de los pilotes definitivos. Otra limitación planteada por este autor radica en que la prueba de carga se realiza generalmente a un solo pilote y se conoce que el comportamiento de un grupo es diferente al de la unidad aislada.
A modo de conclusión podemos plantear que la prueba de carga es un método bastante seguro en la determinación de la carga última de los pilotes, siempre que se proporcione el mismo grado de calidad al pilote en prueba y al definitivo, pero es muy costoso y por esto se toman otras alternativas en la medición de la capacidad de carga. En el trabajo fueron consultados varios libros que referencian este tema, entre ellos podemos citar: Principio de la Ingeniería de Cimentaciones Dajas (2001 Edición en español), Handbook on Pile load Testing (2006), Guía de Cimentaciones (2002).
A manera de resumen se muestran algunos criterios utilizados para determinar la capacidad de carga de un pilote a partir de los ensayos de carga.
Diseño de Cimentaciones sobre Pilotes.
Tabla 1.1 Criterios para determinar la carga ultima del ensayo de carga. .4.2 Fig. 1.2 Grafica de carga contra asentamiento total.
Métodos dinámicos. Estos métodos generalmente se asocian a la hinca de pilotes. Producto que la hinca de pilotes produce fallas sucesivas de la capacidad de carga del pilote, entonces se podría establecer teóricamente la relación entre la capacidad de carga del pilote y la resistencia que ofrecen a la hinca con un martillo.
Todos los análisis dinámicos están basados en la transferencia al pilote y al suelo de la energía cinética de la maza al caer [Sowers (1977), Juárez (1975)]. Esta realiza un trabajo útil forzando al pilote a introducirse en el suelo venciendo su resistencia dinámica. La mayor incertidumbre en este enfoque del problema y la diferencia básica entre todas las fórmulas dinámicas estriba en cómo calcular las pérdidas de energía y la eficiencia mecánica del proceso, por lo que se han desarrollado varias fórmulas que se basan en la utilización de coeficientes para evaluar el comportamiento de los factores que intervienen en el proceso.
Dentro de las fórmulas dinámicas se citan, entre otras, la expresión de Hiley [Galabru (1974)], la Engineerring News [Galabru(1974)], de Delmag, Gersevanov(1970), la Propuesta de Norma(1989) y Juárez(1975) donde se hace una buena recopilación de estas expresiones incluyendo la expresión de CASE más completa y moderna. G. Bernárdez (1998) a través de pruebas de cargas dinámicas en suelos areno-arcillosos densos avala la utilización de la fórmula de Janbu y Hiley. P. Rocha (1998) expone los resultados obtenidos de pruebas de cargas dinámicas y los compara con los obtenidos en pruebas de carga estática, verificando las diferencias que existen con respecto a los resultados obtenidos para pilotes de pequeño diámetro.
La propuesta de la Norma Cubana (1989) para este aspecto establece lo siguiente:
La carga resistente por estabilidad del pilote aislado se determina según dos métodos dinámicos: 1. Ecuación de la onda. 2. Fórmulas de hinca.
Ecuación de la Onda: Para determinar la capacidad soportante utilizando este método, es necesario determinar mediante ensayos dinámicos del pilote la respuesta de éste al
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impacto del martillo en términos de fuerza (tensión y deformación) y velocidad (aceleración), lo cual permite determinar las fuerzas y las trazas de las ondas de velocidad a partir de las cuales se pueden obtener las fuerzas de impacto, la energía y la respuesta dinámica del suelo. A partir de los datos de este ensayo se obtienen los parámetros necesarios para determinar, en función de la ecuación de la onda, la carga resistente por estabilidad del pilote.
Fórmulas de hinca: Los resultados obtenidos mediante la fórmula de hinca sirven para ser utilizados como: Correlación en un área geotécnicamente similar, con los valores de la carga resistente por estabilidad, determinada a partir de la prueba de carga, penetraciones estáticas ó ambas. QU 4 E (Q 0.2·W) N·Ap e Q Wp · 1 N·Ap 2 Exp 1.1 o bien e Q 0.2·WP Q WP N·Ap·EM QU·(QU N·Ap) (m/golpe) Exp 1.2 EM: energía del martillo/ golpe (kN.m ) WP: Peso del pilote Q: Peso de la masa de impacto del martillo (kN) N: constante elástica (kPa) que depende del material del pilote.
Como conclusión, podemos plantear que siempre que se cuente con la adecuada instrumentación electrónica [Aoki (1997), Balech (2000)] y una correcta modelación matemática, se puede estimar la capacidad de carga de las cimentaciones sobre pilotes por métodos dinámicos. .4.3 Ensayos de Penetración: Los ensayos de penetración son utilizados frecuentemente para determinar la capacidad soportante de los pilotes. El estado tensional y deformacional en el suelo debido a un pilote cargado con su carga última y el de un penetrómetro que se introduce en el suelo son muy similares. Por esta razón se puede establecer una relación muy estrecha entre la resistencia a penetración y la capacidad soportante del pilote [Menzanbach(1968a)]. En Cuba se utilizan los modelos de penetración del cono holandés y los modelos soviéticos S-979 y Sp-59. Un análisis de las expresiones utilizadas para la determinación de la capacidad resistente por estabilidad del pilote aislado, evidencia, que estas no son más que la suma del aporte a fricción y en punta, afectados por un factor de escala entre la resistencia en punta del cono de penetración y la punta del pilote ( 1) y un factor de escala entre la fricción sobre la camisa del penetrómetro y el fuste del pilote ( 2). Un interesante enfoque del problema se desarrolló por Bustamente y Gianeselli(1982), basado en la interpretación de 197 ensayos de carga en Francia, en suelos limosos, arcillosos y arenosos. Otros textos consultados en esta temática son: Paulos.and.Davis (1980), Dajas (2001), Cunha (2004)
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Diseño de Cimentaciones sobre Pilotes.
El ensayo SPT (Standard Penetration Test) es probablemente el más extendido de los realizados “in situ”. El resultado del ensayo, el índice N, es el número de golpes precisos para profundizar 30 cm. El ensayo SPT está especialmente indicado para suelos granulares, y sus resultados, a través de las correlaciones pertinentes (basadas en una gran cantidad de datos de campo), permiten estimar la carga de hundimiento de cimentaciones superficiales o profundas, así como estimar asientos, bien directamente, bien por medio de otras correlaciones con el módulo de deformación.
Analizado todo lo anterior, se concluye, que los ensayos de penetración, a pesar del grado de empirismo que encierran (Factores de escala), tienen un gran carácter regional, ya que se obtienen de ensayos realizados en lugares específicos y de aquí su limitación de aplicación. Por otra parte, es importante señalar que este método permite determinar la capacidad resistente por estabilidad del pilote aislado, y como se ha expresado, el comportamiento de un pilote está estrechamente vinculado a la acción de los pilotes vecinos. .4.4 Métodos estáticos basados en la teoría de la plasticidad: Son formula que están basadas en principios teóricos y ensayos, que procuran determinar la capacidad máxima de carga que es capaz de resistir un pilote o grupo de estos en el medio (Suelo). Sowers (1977), Juárez (1975), Jiménez (1986)(1994), la Norma Soviética, L´ Herminier (1968), la Norma SNIP (1975), la CNC 73001 (1970), Norma Cubana(1989), Ibañez(2001) entre otros coinciden en que la capacidad de carga se obtiene de la suma de la resistencia por la punta y por la fricción lateral en el instante de carga máxima:
Qtotal = Qpunta + Qfricción Exp(1.3)
Para el aporte en punta puede aceptarse: Q punta = Ab·qp Exp(1.4) Ab: el área de la punta y qp la resistencia unitaria de punta. Respecto a la fórmula inicial lo que se refiere a Q fricción puede aceptarse la expresión clásica: Qfricción = ·D· Li·fsi Exp(1.5) D: es el diámetro del pilote, Li es la longitud de cada estrato atravesado por el pilote y fsi la resistencia lateral en cada capa o estrato de suelo. 1.5 Estudio y Crítica de las expresiones para la determinación de la Carga a Nivel de Pilote. En el proceso de diseño de la cimentación se hace necesario determinar la carga actuante a nivel del pilote aislado para posteriormente determinar la capacidad de carga y la deformación del mismo. En este sentido se han desarrollado dos tendencias [Propuesta de Norma (1989)], el método de la superposición de efectos y el método de Interacción Suelo – Estructura (ISE). En el primero de ellos se considera que generalmente el cabezal sobre los pilotes es una viga de hormigón armado que por sus dimensiones se supone que sea un elemento rígido y, por tanto, se asume que la distribución de las cargas sobre cada uno de los pilotes sigue una ley lineal o plana.
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Diseño de Cimentaciones sobre Pilotes. 10 Sin embargo, existen diferentes criterios para definir el comportamiento del cabezal como un elemento rígido o flexible. En el segundo enfoque el pilote se supone apoyado sobre un suelo, modelado como un medio tipo Winkler (medio discontinuo). El modelo supuesto se resuelve considerándolo como una estructura y utilizando para ello el método de las deformaciones [Propuesta de Norma (1989)]. Analizando la cimentación como un conjunto, la posibilidad de colaboración entre los pilotes y su encepado o cabezal, para soportar las cargas, que antes era totalmente despreciada, se acepta hoy como muy normal [Aoki,(1991)], en aquellos casos en que el cabezal se hormigona sobre el suelo. Jiménez (1994) cita los trabajos de Coke, que plantea que ensayos en Londres, demuestran que alrededor de 30 % de la carga esta siendo trasmitida por el encepado, aun cuando en el proyecto se había supuesto que la carga iba a ser tomada por los pilotes. En recientes investigaciones [Aoki(1991), Ibañez(1997)(1998)], se realiza un estudio sobre el trabajo cabezal – suelo en este tipo de cimentaciones, donde se evidencia la variación de la carga actuante a nivel del pilote en función de la rigidez del cabezal y el módulo de deformación del terreno en la cabeza y punta del pilote. Sales (2000b) y Cunha (1998) obtienen a través de pruebas de cargas en suelos arcillosos tropicales, resultados similares, lo que evidencia el trabajo conjunto cabezal suelo, razón por la cual se elevará la capacidad de carga de rotura de la cimentación y la disminución de los asentamientos para la condición de carga de trabajo en comparación con el pilotes aislado. Actualmente existen análisis muy detallados mediante elementos finitos para determinar la distribución óptima de los pilotes [Chow(1991), Lobo(1997)M. Sales(2000a)], sin embargo, no se han llegado a presentar en una forma paramétrica que permita su utilización sencilla sin necesidad de llevar a cabo el análisis completo por computación. INVARIANTES PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CARGA ACTUANTE A NIVEL DEL PILOTE AISLADO. Para la determinación de la carga actuante a nivel del pilote aislado se debe tener en cuenta: Solicitaciones externas(momento, cortante y axial): influyen en la magnitud de la carga a nivel del pilote aislado y su forma de trabajo. Número, distribución de pilotes y tipo de unión cabezal – pilote: definen el método de análisis a emplear. Rigidez del cabezal: viene dado por las dimensiones del cabezal y el espaciamiento entre pilotes definiendo: cabezal rígido o flexible. Aporte del terreno bajo el cabezal: En caso de que se tenga en cuenta representa un trabajo conjunto de la cimentación y por ende una disminución de carga a nivel del pilote aislado La Propuesta de norma cubana establece 1989 que cuando se realiza el diseño de una cimentación sobre pilotes, como sólo se conocen las solicitaciones externas, las características resistentes y deformacionales del suelo de la base, se hace necesario determinar: el número, la distribución y la longitud de los pilotes. En la mayoría de los casos se mantienen dos de las tres incógnitas y se determina la otra. En el método de la superposición de efectos la carga actuante a nivel del pilote aislado se determina a través de la siguiente expresión:
Diseño de Cimentaciones sobre Pilotes. 11 M y·X i X i2 M x·Yi Yi2 Ntotal n Np Exp(1.6) Donde:
Np: Ntotal: Mx, My Xi,Yi n: Carga a nivel del pilote Carga total a nivel de la cimentación. Momento total actuante en el plano X o Y de la cimentación. Distancia del pilote analizado al centroide de la cimentación Número total de pilotes. Sin embargo, este método solo es aplicable cuando se cumple que: Todos los pilotes del grupo tienen igual área transversal, La cantidad de pilotes por fila es igual, Se considera cabezal rígido. Pilotes verticales y articulados al cabezal.
Precisamente el método de Interacción Suelo Estructura (ISE) permite resolver, a diferencia del método anterior, grupos de pilotes que dependan de las siguientes condiciones [Propuesta de Norma (1989)]: Unión cabezal pilote articulado o empotrado, Cabezal rígido o flexible, Igual número de pilotes por fila y por columnas. 1.6 Estudio y Crítica de las Expresiones para la Determinación de la capacidad de Carga en Pilotes: A continuación se realiza un análisis sobre los diferentes enfoques para la determinación de la capacidad de carga del pilote de manera general se analizan las expresiones clásicas de la mecánica de suelos y se hace referencia a estudios mas recientes. Por el gran volumen de información referido a este tema consultado en la literatura internacional se hará énfasis en las expresiones de mayor uso en nuestro país y el enfoque de la propuesta de norma.
Diseño de Cimentaciones sobre Pilotes. .6.1 Figura 1.3 Esquema del hundimiento de un pilote aislado.
Pilotes apoyados en suelos: La Capacidad última de carga de un pilote se logra por una simple ecuación: Qu=QP+Qf Exp(1.7) Donde:
Qu: Capacidad ultima del Pilote. QP: Capacidad de carga de la punta del Pilote. QF: Resistencia por Fricción.
Numerosos estudios publicados tratan la determinación de los valores de QP y QS. Excelentes resúmenes de muchas de estas investigaciones fueron proporcionados por Vesic (1977), Meyerhof (1976) y Coyle y Castello (1981), Paulos.and.Davis (1980), Ibañez(2001), Louranco (2005), Propuesta de Norma Cubana(1989),etc. Tales estudios son una valiosa ayuda en la determinación de la Capacidad última de los pilotes.
Resistencia por Fricción de un Pilote QF:
La resistencia por fricción o superficial de un pilote se expresa como:
Donde: p: perímetro de la sección del pilote. ?L: Longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes. foi: Resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z.
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