PROYECTO FINAL- CIMENTACIONES PROFUNDAS
PRESENTADO POR: ALEJANDRA LÓPEZ RAMÍREZ IVAN ADOLFO RESTREPO WILLIAM ALBEIRO RIVERA
PRESENTADO A: EIMAR SANDOVAL
UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Y GEOMÁTICA SEMINARIO DE SUELOS SANTIAGO DE CALI 2012
Nomenclatura Nomenclatura utilizada '
Peso unitario suelo
Resistencia al corte no drenada
Coeficiente beta=
Ángulo de fricción entre el suelo y el material de fundación N Número de golpes 'v 'v
Esfuerzo vertical efectivo
Qs Resistencia por fuste
p Esfuerzo por punta
Qp
Capacidad de punta
Qt
Capacidad de carga
s Esfuerzo por fuste
F.S Factor de seguridad Fu Carga aplicada aplicada al suelo Z Profundidad
Resumen
El presente informe presenta un reporte del estudio y análisis realizados a dos alternativas de cimentaciones para dos proyectos de construcción que se adelantarán en dos tipos distintos de suelos. El primer proyecto consiste en un puente atirantado con una luz central de 100 m, cuya pila central transmite al suelo cargas máximas de 10000 kN. El segundo proyecto se trata de un edificio de 10 pisos que transmite sobre el suelo cargas máximas por columna de 2000 kN. El estudio tiene como objetivo principal elegir la mejor alternativa de cimentación que brinde beneficio técnico y económico. Para la elección de esta alternativa, se analizaron la capacidad última, las cargas admisibles, la profundidad, la longitud y el número de los elementos de cimentación. Estos parámetros junto a los costos de cada alternativa, fueron los criterios que se utilizaron para la elección.
Así
mismo se calculó la magnitud de los asentamientos una vez se eligió la fundación apropiada para los requerimientos de la obra.
Introducción Dos opciones de fundación profunda fueron los evaluados y analizados para la elección de la cimentación de ambos proyectos, barrenados.
pilotes hincados y fustes
Los pilotes hincados son pre-fabricados y por lo general están
hechos de acero, concreto, madera o una combinación de ambos. Se instalan con un martillo que aplica golpes sucesivos en la cabeza del pilote haciéndolo penetrar en el suelo. Los fustes barrenados se construyen excavando un agujero vertical
de una predeterminada profundidad, luego se coloca el acero de refuerzo y se vierte el concreto en el agujero.
Debido a las diferencias en su método de
instalación, ambas cimentaciones cuentan con consideraciones especiales de diseño.
1. Especificaciones para la construcción de las cimentaciones La estratigrafía del suelo es la siguiente:
SUELO GRANULAR- ARENAS
SUELO COHESIVO
DEPTH ft 0
DEPTH ft 0 - N= 2 '= 115 pcf Estrato 1
10
Estrato 1
N.F
N.F
- N= 9 '= 52,6 pcf
10
Su= 0,25 tsf
Estrato 2
20
20 -N=30 '= 57,6 pcf Estrato 3
Estrato 2
35 -N=32 '= 57,6 pcf Estrato 4
50 -N=40 '= 59 pcf
55
Estrato 5
70
Estrato 3
Su=1,3 tsf ROCA
Figura 1. Estratigrafía de los suelos
70
Siendo el suelo granular el lugar donde se construirá las cimentaciones para la pila central del puente y el suelo cohesivo donde se realizará el edificio de 10 pisos. Cargas transmitidas al suelo: y
Carga máxima que transmite la pila central del puente: 10000 kN
y
Carga máxima por columna del edificio de 10 pisos: 2000 kN
Las alternativas de cimentación para cada proyecto constructivo que se evaluarán en este informe son: y
Fustes barrenados
y
Pilotes hincados
Costos: y
Cada ml de pilote hincado tiene un costo de $100.000.
y
Cada m³ de fuste barrenado tiene un valor de $250000 más $500000 por cada ml de excavación.
Dimensiones de los elementos de cimentación: y
Fustes barrenados: 4 ft de diámetro con profundidad máxima de 50 ft.
y
Pilotes hincados: 1 ft de diámetro con profundidad máxima de 50 ft.
2. Metodología Métodos de análisis para el diseño de las cimentaciones Para la selección de la alternativa de cimentación de ambos proyectos constructivos, se utilizó los criterios de análisis de 4 métodos usados en el diseño de fundaciones para la predicción de la carga última de cimentaciones profundas, lo cual es el primer paso para obtener un diseño óptimo. La elección del método para cada alternativa se hace considerando el tipo del suelo (suelo granular o cohesivo) y el tipo de cimentación a evaluar, además de otros parámetros.
Los
métodos coinciden en que la capacidad de carga se obtiene sumando la resistencia por la punta y por la fricción lateral. A continuación se presentan los métodos usados para cada proyecto y para cada alternativa:
2.1 PROBLEMA1: PILA CENTRAL DE PUENTE ATIRANTADO (SUELO GRANULAR) -
Alternativa 1: Pilotes hincados
Para calcular la capacidad de los pilotes sobre suelos granulares utilizamos el método de Meyerhoff.
Este método se aplica en análisis de cimentaciones para
suelos no cohesivos y se basa en la prueba de SPT. Toma en consideración el valor de N de la prueba de penetración estándar, el esfuerzo vertical efectivo y el área de la fundación.
Esfuerzo por fuste Penetración estándar sin
corregir
El esfuerzo por punta se calcula con la siguiente ecuación:
í
Esfuerzo por punta Penetración estándar corregida Profundidad del pilote Diametro del pilote Para Arenas
í
Para corregir los valores de N (# de golpes) de la prueba SPT se utiliza la siguiente expresión:
Correccion para confinamiento (tsf) Esfuerzo vertical efectivo (en tsf)
La capacidad de fuste y la capacidad de punta se estiman con la siguiente expresión:
La capacidad última se calcula con la siguiente expresión:
-
Alternativa 2: Fustes barrenados
Para utilizar fustes barrenados en suelos granulares se debe tener en cuenta el coeficiente beta () en su diseño, por lo tanto, se utiliza el método Beta para suelos cohesivos y no cohesivos. Además de considerar el tipo de fundación y suelo, el método considera la fricción entre el suelo y la fundación y la presión lateral del suelo. El método se basa en los esfuerzos efectivos en la falla.
La capacidad por punta y por fuste se calcula con las siguientes expresiones:
2.2 PROBLEMA 2: EDIFICIO DE 10 PISOS (SUELO COHESIVO) -
Alternativa 1: Pilotes hincados
Para el estudio de esta alternativa, se utilizó el método alfa considerando que la cimentación para este proyecto se realizaría en un suelo cohesivo. Este método se basa en esfuerzos totales, utilizando el para estimar la adhesión, el cual se obtiene de tablas.
El método considera las dimensiones de la fundación, el
método de instalación y el área de la fundación.
Para la estimación de la
capacidad última se usa la resistencia al corte no drenada del suelo, dato proporcionado en la estratigrafía del suelo cohesivo donde se construirá el edificio. La capacidad de fuste y punta se estiman con las siguientes expresiones:
= capacidad de fuste. =
coeficiente de adhesión.
= resistencia al corte no drenada. = área de fuste.
=
capacidad de punta.
= área de punta.
Los esfuerzos por fuste y punta se calculan con las siguientes expresiones:
2.3 Factor de seguridad y capacidad admisible Los resultados de los análisis por los métodos anteriormente mencionados proporcionan la capacidad última del pilote o la resistencia del suelo.
La
resistencia permisible del elemento de cimentación (carga de diseño) se obtiene por la división de la carga última del pilote a diferentes estratos por un factor de seguridad. Una vez se ha determinado la capacidad última total de los pilotes y
fustes barrenados se ha determinado por la sumatoria de la capacidad de carga de punta y la resistencia por fuste, se utiliza un factor de seguridad que para ambos proyectos corresponde al valor de 2 para así obtener la carga admisible total de cada elemento de cimentación:
Donde:
Capacidad de carga admisible para cada elemento.
FS= Factor de seguridad. El factor de seguridad usado varía entre 2 y 4 generalmente, dependiendo de las incertidumbres en el cálculo de la carga última.
2.4 Número de pilotes El número de pilotes se obtiene de la relación entre la carga que soportará las fundaciones y la carga permisible para cada elemento de cimentación.
2.5 Determinación de la resistencia al corte no drenada del estrato 2 del suelo cohesivo. Para la determinación del del estrato 2 del suelo cohesivo donde se construirá el edificio, se cuenta con los datos obtenidos del ensayo de compresión inconfinada. Con el análisis de estos datos se obtiene la resistencia máxima a compresión y con este valor, la resistencia al corte no drenada.
2.6 Cálculo de asentamientos en suelo cohesivo Para el cálculo de los asentamientos en el suelo cohesivo se siguió el procedimiento mencionado a continuación:
1. Información inicial: Se considera que se está trabajando bajo un suelo cohesivo, el cual al aplicarle la sobre carga sufrirá una consolidación normal. Se cuenta a demás con la información de dimensiones de la zapata y características del suelo necesarias para los cálculos.
2. Profundidad significativa: Utilizando el método simplificado de la zapata equivalente, donde por cada dos metros verticales descendidos se aumentan un metro las dimensiones de la zapata; se calcula la variación de la carga aplicada con la profundidad, hasta alcanzar el nivel que consideramos significativo a producir donde P=0,10*'v.
3. Estrato consolidable: se considera el estrato de arcilla consolidable, como el suelo acotado entre el nivel significativo y el nivel freático.
4. Calculo de los asentamientos: Utilizando las ecuaciones propuestas por Terzaghi para el cálculo de asentamiento en suelo cohesivo normalmente consolidado. Se discretica el estrato de suelo consolidable en estratos de un metro y se calcula el asentamiento para cada uno, usando los datos de profundidad, esfuerzo efectivo e incremento de carga correspondiente para cada estrato; La sumatoria de estos asentamientos corresponde al asentamiento total del estrato de suelo consolidable.
3. Análisis de las alternativas Siguiendo los métodos descritos en la metodología, se realizó el análisis con los distintos parámetros para la determinación de la capacidad portante de los pilotes y fustes barrenados y el número de elementos de fundación para cada proyecto constructivo.
Proyecto puente atirantado.
y
Fustes Barrenados, (CAISSON)- Suelo Granulares, Arenas. Método Beta.
Tabla 1. Análisis de la capacidad por fuste total de los fustes barrenados por el método Beta.
Tabla 2. Determinación del número de fustes barrenados para suelo granular.
Tabla 3. Costos de los fustes barrenados para la cimentación del puente atirantado.
y
Pilotes hincados- Suelo Granulares, Arenas. Método Meyerhoff.
Tabla 4. Determinación de la carga total por fuste de pilotes hincados en suelos granulares.
Tabla 5. Determinación del número de pilotes para suelo granular.
Tabla 6. Costos para los pilotes en la cimentación del puente.
Puente edificio 10 pisos
y
Fustes Barrenados (CAISSON)- Suelos cohesivos. Método Alfa.
Tabla 7. Determinación de la capacidad por fuste total en la cimentación del edificio con fustes barrenados.
Tabla 8. Determinación del número de fustes barrenados para la cimentación del edificio.
Tabla 9. Costos de la cimentación con fustes barrenados en suelo cohesivo.
y
Pilotes hincados. Suelos cohesivos. Método Alfa.
Tabla 10. Determinación de la resistencia al corte no drenada para pilotes hincados en suelo cohesivo.
Tabla 11. Número de pilotes en la cimentación del edificio.
Tabla 12. Costos para los pilotes en la cimentación del edificio.
4. Elección de alternativa de cimentación: Una vez analizado las diferentes alternativas de cimentación, tanto para la pila del puente como para la edificación de 10 pisos, se toman las siguientes opciones: Pila del puente en suelo granular: Se opta por utilizar 14 pilotes de Diámetro= 1 ft y Longitud= 49 ft, los cuales tienen un costo total de $ 20.909.280. Edificio de 10 pisos en suelo cohesivo: Se opta por utilizar 3 pilotes de Diámetro= 1ft y Longitud= 49 ft los cuales tienen un costo total de $4.480.560 Desde el punto de vista técnico, la opción de hacer la cimentación con pilotes resulta ser más práctica, en comparación con la de fustes barrenados, dado que los fustes barrenados requieren de excavación, por lo tanto se necesitara estabilizar los taludes durante la construcción y cumplir con estrictas normas de seguridad en el caso de que la excavación se haga manualmente, por otra parte el nivel freático representa un inconveniente importante en la construcción, por tal motivo hay que realizar el abatimiento del mismo, por lo que se produce un incremento de costos. Otro punto de vista técnico está en el tiempo de construcción, pues los fustes barrenados disponen de mucho más tiempo en comparación con la hincada de pilotes, lo que puede aumentar el tiempo de ejecución de la obra Desde el punto de vista económico, la cimentación con pilotes resulta ser mucho más viable económicamente, en comparación con los fustes barrenados, para la pila del puente hay una diferencia económica de $ 22.535.519,5 a esto si se le suma lo que puede llegar a costar el bombeo para abatir el nivel freático más los materiales para estabilizar los taludes de la excavación la diferencia económica entre fustes barrenados y pilotes hincados es muy grande
5. Costos honorarios Los honorarios correspondientes a la realización de este proyecto serán del 20% del costo del proyecto de cimentación, es decir, de $5200000.
Índice de tablas y figuras
Figura 1. Estratificación de los suelos de cada proyecto constructivo. Tabla 1. Análisis de la capacidad por fuste total de los fustes barrenados por el método Beta. Tabla 2. Determinación del número de fustes barrenados para suelo granular. Tabla 3.
Costos de los fustes barrenados para la cimentación del puente
atirantado. Tabla 4. Determinación de la carga total por fuste de pilotes hincados en suelos granulares. Tabla 5. Determinación del número de pilotes para suelo granular. Tabla 6. Costos para los pilotes en la cimentación del puente. Tabla 7. Determinación de la capacidad por fuste total en la cimentación del edificio con fustes barrenados. Tabla 8. Determinación del número de fustes barrenados para la cimentación del edificio. Tabla 9. Costos de la cimentación con fustes barrenados en suelo cohesivo. Tabla 10. Determinación de la resistencia al corte no drenada para pilotes hincados en suelo cohesivo. Tabla 11. Número de pilotes en la cimentación del edificio. Tabla 12. Costos para los pilotes en la cimentación del edificio.
Contenido
Resumen Introducción 1. Especificaciones para la construcción de las cimentaciones 2. Metodología 2.1 Problema 1. Puente atirantado 2.2 Problema 2. Edificio 10 pisos 2.3 Factor de seguridad y capacidad admisible 2.4 Número de pilotes 2.5 Determinación de la resistencia al corte no drenada del estrato 2 del suelo cohesivo. 2.6 Cálculo de asentamientos 3. Análisis de las alternativas 4. Elección de alternativa de cimentación