Deformaciones del suelo en una cimentación parcialmente compensada:
La remoción de la sobre carga cuando se excava al nivel de la cimentación causa una expansión del fondo de la excavación. Después de aplicar la carga el suelo se recomprime, después de que la carga se incrementa hasta la presión original de la sobrecarga, ocurre la recompresión inmediata (Tomlinson 1996). Estos movimientos son insignificantes en caso de cimentaciones poco profundas pero se deben tomar en cuenta en cimentaciones profundas.
Si el nivel de cargas aplicadas al suelo supera a la presión excavada, se presentan asentamientos inmediatos y asentamientos diferidos por recompresión y compresión debidos al incremento neto de carga, este incremento se determina con las siguientes expresiones:
Expansión del fondo de la excavación:
Las expansiones inmediatas son de tipo elástico por lo que se calculan usando la teoría elástica. La deformación lineal se calcula como:
Donde:
Ee: modulo tangente inicial de deformación del suelo se puede obtener mediante pruebas de compresión axial
Asentamientos inmediatos por recompresión:
Se calcula con la teoría de la elasticidad, de forma similar al de las expansiones solo que ahora el signo de los esfuerzos son de compresión. (RDF 1995).
Asentamientos inmediatos por compresión debido al incremento neto de carga:
Se calcula con la teoría de la elasticidad considerando el modulo de deformación (E) correspondiente.
En el caso de cimentaciones en balsa combinada con pilotes, se busca que los pilotes tengan efecto de reducir los asentamientos, sin embargo, combinado el uso de pilotes con la compensación, se alcanzan resultados satisfactorios, disminuyendo a su vez la longitud de los pilotes y por tanto el costo de la construcción.
Aplicación de Métodos numéricos
El análisis de una cimentación en BCP no es un para nada simple debido a que es un problema tridimensional, envuelve la asociación de varios elementos con diferentes respuestas de carga x asentamiento, etc. Es por esto necesario el empleo de análisis más rigurosos como el método de los Elementos Finitos (MEF) y el método de Elementos de Contorno (MEC). Estos métodos han sido empleados por diferentes autores como Reul y Randolph (2003) quienes presentaron un análisis basado en el MEF de edificios situado en Frankfurt, Alemania.
En los últimos años varios autores han desarrollado programas computacionales que combinan más de un método y adoptan hipótesis más simples para facilitar el estudio de cimentaciones con pilotes y BCP. Entre ellos podemos encontrar:
GARP6 (General Analysis of Rafts with Piles) (Small & Poulos, 1998).
ALLFINE (Farias, 1993)
HyPR (Clancy & Randolph, 1993)
NAPRA (Russo, 1995)
PIRAF, (Ta & Small, 1996)
GASP
FLAC. Entre otros
Estos softwares han sido empleados por diferentes autores como (Cunha, Neusa, & Mota, 2004) quienes presentaron los resultados de una simulación numérica realizada a un hotel localizado en Belgrado, Yugoslavia con cimentación en balsa que fue modificado con la introducción de pilotes, este análisis se realizó mediante la utilización de los softwares DEFPIG (Deformation Analysis of Piles Groups) y GARP (Geotechnical Analysis of Raft with Piles) obteniendo resultados como:
Los asentamientos disminuirían principalmente en la región central.
Se verificó que con la reducción del número de pilotes de 24 a 8 para una longitud de 8m los asentamientos prácticamente no aumentarían.
Cunha et al.(2005) presentó los resultados de la predicción del comportamiento de uma cimentación en BCP correspondiente a un edifício ubicado en Gothenburg, Suiza utilizando las herramientas de análisis numérico GARP6 y DEFPIG.
Poulos (1997) realizó varios cálculos para realizar la predicción del comportamiento del edificio Westend Tower, Frankfurt usando diferentes métodos de análisis como:
Análisis por el MEF (Ta & Small, 1996)
Análisis utilizando el programa GARP descrito anteriormente.
La combinación de el MEF y MEC desarrollado por Sinha (1997)
La combinación de el MEF y MEC propuesto por (Franke, 1994).
Llegando a las siguientes conclusiones:
El asentamiento máximo alcanzado es de 105 mm y la mayoría de los métodos pudieron sobre-pronosticar este asentamiento. Sin embargo la mayoría de los la mayoría de los métodos proporcionaron una aceptable predicción del diseño.
Los pilotes en esta estructura soportan el 50 % de la carga total y la mayoría de los métodos sobre-pronosticaron esta proporción, pero desde el punto de vista del diseño, la mayoría de los métodos dieron estimaciones aceptables.
Este caso demuestra claramente que los métodos numéricos pueden trabajar exitosamente para producir una cimentación económica y que trabaje satisfactoriamente.
Resultados experimentales a escala real
Los ensayos con prototipos en el mismo suelo en que serán ejecutadas las cimentaciones reales son la mejor forma de tomar en cuenta la mayoría de las propiedades de los suelos que intervienen (H. G. Poulos, 1989). Entre los trabajos vale la pena destacar:
(Garg, 1979) en su artículo “Bored pile groups under vertical load in sand´´ presentó los resultados de varias pruebas de carga en pilotes excavados manualmente en arenas de la India. Este realizó ensayos con placas superficiales, pilotes aislados y grupos de pilotes obteniendo los siguientes resultados:
Las pruebas de carga de las placas fueron realizadas en períodos lluviosos y secos, observando que en época de lluvia las placas presentaban una reducción del 60% de su capacidad portante mostrando un comportamiento menos rígido.
El aumento del espaciamiento de 1.5 a 2.5 implico un leve aumento de la capacidad de carga del grupo de pilotes.
Cuando la placa estaba en contacto con el suelo la carga absorbida por el grupo fue mayor que cuando la placa estaba no se apoyaba sobre el mismo.
La rigidez de los grupos de pilotes sin el contacto de la placa con el suelo fue menor que cuando la placa tocaba la superficie del suelo.
(Liu, 1985) en su artículo: ´´Cap-pile-soil interaction of bored pile groups´´ presenta los resultados de una serie de 51 pruebas de carga en pilotes aislados y grupos de pilotes con un total de 330 pilotes. Estos ensayos fueron realizados en China cerca del rio Amarelo con índices de saturación entre 0.85-0.95. Variando el diámetro, la longitud, el espaciamiento (Liu, 1985) propone la expresión para calcular la capacidad de carga:
Aplicación de hojas de cálculo
El empleo de hojas de cálculo para la realización del análisis de cimentaciones en BCP evita la necesidad del uso de programas de cálculo de más complejidad aprovechando las bondades de las mismas en el diseño de ingeniería.
Mathcad es la solución de cálculos de ingeniería que simultáneamente resuelve y documenta los cálculos y da la posibilidad de modificar datos de entrada y parámetros de diseño, a la vez que reduce considerablemente el riesgo de errores costosos. Este programa, permite a los ingenieros diseñar, solucionar y documentar su trabajo, en un formato comprensible, que pueden compartir y reutilizar, lo cual mejora la verificación y validación, la publicación y la colaboración en todo el proceso de desarrollo.
(Ibañez, 2011) realizó la programación de varias hojas de cálculo en MathCad con el fin de evaluar el efecto de la profundidad de cimentación en los asentamientos en BCP. Par su validación comprobó los resultados obtenidos con los citados por (Sales, 2000) obteniéndose para el caso de cimentaciones en balsa apoyadas en 4 pilotes resultados similares, notándose la mayor diferencia para cargas mayores a 500 kN, valores para los cuales comienza trabajar de forma conjunta la cimentación. Tabla 1.2
Tabla 1.2: Comparación entre los métodos para estimar los asentamientos en una balsa sobre 4 pilotes. (Ibañez, 2011)
Una vez comparados los resultados de las hojas de cálculo con ejemplos de la literatura internacional, procedió a su aplicación en problemas reales. Para ello utilizó los resultados obtenidos por Koizumi y Ito (1967) en una cimentación conformada por una zapata de 2m x 2m, apoyada sobre 9 pilotes de 0.3 m de diámetro, atravesando 2 estratos de suelos. Estos autores determinan el aporte individual y colectivo de la cimentación, los pilotes y la cimentación balsa pilote (Zhang 2010). En la Tabla 1.3 aparecen los datos utilizados en el análisis.
Tabla 1.3: Valores de los suelos, balsa y pilotes del ejemplo analizado. (Ibañez 2011)
Suelo | Modulo Gral de Deformación (MPa) | Coeficiente de poison | Espesor/ Diámetro(m) | |||
Suelo 1 | 12.8 | 0.4 | 1.7 | |||
Suelo 2 | 15.6 | 0.4 | 3.8 | |||
Balsa | 30000 | 0.2 | 0.7 | |||
Pilote | 200000 | 0.2 | 0.3 | |||
De la comparación el ensayo real (Koizumi e Ito (1967)) y las hojas de cálculo (Figura 6) reafirmó una vez más la validación de las hojas de cálculo en la estimación de comportamiento carga deformación de cimentaciones en balsa sobre pilotes.
Figura 1.6: Curva carga deformación en el ensayo real Koizumi e Ito (1967) y las hojas de cálculo.
Conclusiones del capítulo
Una vez realizado el análisis del estado actual del conocimiento en lo que a cimentaciones en BCP se refiere podemos arribar a las siguientes conclusiones parciales:
1. Existe un gran número de métodos propuestos para realizar el análisis y el diseño de cimentaciones en BCP, basadas en diferentes criterios e hipótesis.
2. En el proceso de diseño influyen un grupo de variables como la longitud de los pilotes, la cantidad, la forma de la cimentación, la rigidez de la losa y la profundidad de cimentación.
3. En los últimos años sean desarrollado un gran número de softwares para el análisis y diseño de cimentaciones en BCP, basados en diferentes métodos numéricos debido a que estos tienen en cuenta influencias complejas en el análisis. La efectividad de estos métodos ha sido comprobada por la comparación con resultados reales.
4. Es una tendencia actual el uso de hojas de cálculo en la Ingeniería Civil y en todos los procesos de diseño.
5. La profundidad de cimentación es un factor muy importante a tener en cuenta en el proceso de diseño, ya que a medida que esta aumenta la cimentación se comporta como un cimiento compensado. El empleo de este tipo de cimentación garantiza la disminución de los asentamientos y logra una cimentación eficiente desde el punto de vista de la resistencia.
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Autor:
Winnie Zumaquero O`Reilly
Enviado por:
Tutor:
Dr. Ing. Luis O. Ibañez Mora
Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
Facultad de Construcciones
Departamento de Ingeniería Civil
Santa Clara-Cuba
2011-2012
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