CONSTRUCCION II
UNIDAD I •
CIMENTACIONES PROFUNDAS.
•
CLASIFICACION DE PILOTES.
CLASIFICACIÓN DE LAS CIMENTACIONES
TIPOS
•
Pilotes
•
Pilas
•
Cilindros
•
Cajones
PILOTES
HISTORIA Los primeros pilotes datan de hace 12,000 años, fueron utilizados por los habitantes neolíticos en suiza para construir sus casas profundos.
en lagos poco
HISTORIA
En
Venecia
se
emplearon
para
protegerse de los invasores y estar cerca al mar.
En Venezuela los indios construían sus chozas sobre pilotes a orillas del lago Maracaibo.
DEFINICIÓN
Son elementos que trasmiten la carga de la estructura, a un estrato de suelo o roca que se extiende a varios metros por
debajo
permitiendo
de
la
construir
estructura, en
lugares
donde las condiciones de los estratos superficiales no son favorables
CIMENTACIONES PROFUNDAS Se utilizan cuando los suelos de los estratos superiores son muy débiles, entonces para cimentar se busca el estrato estable llegando a profundidades de cimentación Df, mayores de 4 veces el ancho (B) de la cimentación. Estos elementos estructurales presentan en general una esbeltez superiores a 8.
(L/B)
Pueden ir acoplados a zapatas o losas de cimentación. Para lo cual se utilizan varios pilotes para sustentar a cada unidad de cimentación.
Cimentaciones con pilotes El pilote o sistema por pilotaje, es un tipo de cimentación profunda de tipo puntual (indirecta), que se hinca en el terreno buscando siempre el estrato resistente capaz de soportar las cargas transmitidas.
USOS
•
Trasmitir las cargas ha estratos más firmes.
•
Trasmitir la carga a un suelo blando por fricción lateral.
•
Para soportar fuerzas de volamiento o levantamiento.
•
En estructuras marítimas costa afuera y en muelles
•
Alcanzar con las cimentaciones profundidades sin peligro de erosión y socavación .
•
Para consolidar o compactar suelos granulares.
•
Como estructuras de retención o drenaje verticales.
CASOS DONDE PUEDEN NECESITARSE PILOTES
REQUISITOS •
Resistir la carga de diseño.
•
No exceder la capacidad portante del suelo causando su falla.
•
No experimentar asentamientos excesivos que ocasione daños a la estructura soportada.
COLOCACIÓN DE PILOTES •
Introduciéndolos bajo carga estática con un gato.
•
Hincándolos por medio de golpes con un martillo.
•
Perforando un hoyo y vaciando concreto o
•
Insertando el pilote y luego hincándolo.
PILOTES HINCADOS BAJO CARGA ESTATICA DE UN GATO •
Este método de hincado se usa donde no se permiten vibraciones o en las pruebas
de carga para verificar la capacidad del pilote. •
Requiere de un apoyo o marco de reacción .
PILOTES HINCADOS POR MEDIO DE GOLPES •
Este método introduce el pilote con golpes de una maza (martillo), aplicados en la parte superior o cabeza del pilote.
•
Martillo de caída libre, simple efecto, doble efecto, diferencial, diesel, vibratorio.
•
Características importantes del equipo: Energía adecuada y capacidad de guía.
PILOTES PERFORADOS •
En este método se perfora un hoyo, se introduce el emparrillado de acero y se vacía el concreto.
•
También existen los que se perforan el hoyo y se inserta el pilote pre fabricado, para posteriormente hincarlo.
Factores de incidencia en la cimentación por pilotaje
• El rozamiento y adherencia entre suelo y cuerpo del pilote (Qs).
• La resistencia por punta (Qp), en caso de transmitir compresiones, para
absorber
esfuerzos
de
tracción puede ensancharse la parte inferior del pilote, para que trabaje el suelo superior.
• La combinación de ambos.
Hincado de pilotes
Para hincar el pilote siempre se busca el apoyo sobre una capa resistente que soporte
las
cargas
transmitidas.
Frecuentemente la capa firme está a mucha
profundidad,
rozamiento
lateral
entonces puede
ser
el de
importancia según el caso.
Con un terreno débil en superficie y fuertes cargas, el rozamiento lateral será menos importante cuanto más débiles sean las capas del terreno atravesadas; por ello conviene emplear este sistema.
Tipología de pilotes según la forma de trabajar Pilotes que trabajan solo por fuste
Son aquellos en los que la carga recibida por el pilote es transmitida al terreno por el rozamiento entre el terreno y el fuste del pilote Un ejemplo de esta situación es
la
de
un
terreno
homogéneo en profundidad y con poca capacidad portante.
Los pilotes en los que se considera el fuste como fuerza de transmisión al terreno se denominan también pilotes flotantes.
Pilotes que trabajan solo por punta
También llamados pilotes columna, son aquellos en los que la carga se transmite por la punta del pilote, esto sucede cuando está empotrado en un terreno mucho más competente que el resto de terreno que esta por encima de él. Un ejemplo de esto, es cuando existe una roca a una determinada profundidad y el material que cubre dicha roca es un suelo residual de baja capacidad portante. Es importante tener en cuenta que para
conseguir
el
efecto
del
esfuerzo de la punta hay que limpiar el fondo del pilote antes de hormigonear y evitar que terreno blando o incoherente se deposite entre el hormigón y el terreno competente
Tipología según el material empleado Pilote de hormigón armado ejecutado in situ
Es el más utilizado de todos, pues resuelve un amplio espectro de problemas de cimentaciones profundas, consiste en realizar una perforación y rellenarla con una armadura y hormigón.
Extracción de tierra para colocar la armadura
realizando hinca de armadura
Vaciado de concreto en el pilote
Tipos de pilotes de concreto colados en el lugar
Se dividen en dos amplias categorías: con ademe y sin ademe, ambos tienen un pedestal de fondo.
• Pilotes con ademe Se hacen hincando una funda de acero en el terreno con ayuda de
un mandril colocado dentro de la funda. Cuando el pilote alcanza la profundidad apropiada, el mandril se retira y la funda se rellena con concreto. Los pilotes pueden ser con pedestal o sin pedestal Las figuras A, B, C y D
muestran
algunos
ejemplos
de ademados pedestal.
pilotes sin
La figura E muestra un pilote ademado con un pedestal. El pedestal es un bulbo de concreto expandido que se forma dejando caer un martillo sobre el concreto fresco
• Pilotes sin ademe Se hacen hincando primero la funda a la profundidad deseada y luego llenándolo con concreto fresco, entonces la funda se retira gradualmente La figura F y G son dos tipos de pilote sin ademe
Pilotes de hormigón Prefabricados
se preparan usando refuerzo ordinario y son cuadrados u octagonales en su sección transversal. El refuerzo se proporciona para que el pilote resista el momento flexionante durante su levantamiento y transporte, la carga vertical y el momento flexionante causado por la carga lateral. Los pilotes son colados
a las longitudes deseadas y son curados antes de ser
transportados a los sitios de trabajo.
Consiste en clavar literalmente el pilote en el terreno, estos se fabrican con unos controles muy intensos en una factoría, por lo tanto tienen más capacidad portante intrínseca
que
los pilotes de hormigón in situ y los pilotes de madera. Como no se extrae el terreno, este se compacta al clavarse el pilote, son en general caros y pueden no alcanzar la profundidad de cálculo si encuentran una capa competente en su camino.
Pilote hincado en hormigón armado prefabricado
Hincado de pilotes
Pilotes de acero
Son perfiles metálicos que se clavan en el terreno. Se utilizan muy poco. Son construidos a base de tubos o de secciones laminadas de acero. Los pilotes de tubo se hincan en el terreno con sus extremos abiertos o cerrados. En muchos casos, los pilotes a base de tubos son rellenados con concreto una vez que han sido hincados. Cuando es necesario los pilotes son empalmados por soldadura o por remaches o pernos.
Pilotes de madera
Se solía emplear en terrenos muy blando como zonas pantanosas, este tipo se empleaba en la antigüedad por los romanos, los edificios venecianos están apoyados sobre pilotes de madera. La longitud máxima está entre 10 y 20 m , la madera debe estar recta, sana y sin defectos.
Se dividen en tres clases: A, B y C
• Clase A Soportan cargas pesadas, el diámetro mínimo del extremo más grueso (cabeza) debe ser 35.6 cm.
• Clase B Se usan para soportar cargas medianas. El diámetro mínimo de la cabeza debe ser de 30.5 cm. a 33 cm.
• Clase C Se
usan
en
trabajos
provisionales
de
construcción,
se
emplean
permanentemente para estructuras cuando todo el pilote está debajo del nivel freático. El diámetro mínimo de la cabeza debe ser de 30.5 cm.
En todo caso una punta de pilote debe tener un diámetro no menor de 150 mm. Los pilotes de madera no pueden resistir altos esfuerzos de hincado, por lo tanto la capacidad del pilote es limitada. La parte superior se pueden dañar durante la operación del hincado, para evitarlo se usa una banda o
capuchón metálico. El empalme de los pilotes de madera
debe
evitarse,
sin
embargo si fuera necesario, este se hace usando fajas metálicas y pernos. La longitud debe tener 5 veces el diámetro del pilote. Los pilotes deben ser tratados con preservadores como la creosota para incrementar la vida útil.
Pilotes compuestos
Las porciones superior e inferior de los pilotes compuestos están hechas de materiales diferentes, como de acero y concreto, o madera y concreto.
• Los pilotes de acero y concreto consisten en una porción inferior de acero y en una porción superior de concreto colado en el lugar. Este tipo se usa cuando la longitud del pilote requerido para un apoyo adecuado excede la capacidad de los pilotes de concreto simple colados en el lugar
• Los pilotes de madera y concreto Consisten en una porción inferior de pilote de madera debajo del nivel freático permanente y una porción superior de concreto . En cualquier caso, la formación de juntas apropiadas entre dos materiales disímiles no es fácil y por esta razón, los pilotes compuestos no son muy usados
Tipología de pilotes según el procedimiento de ejecución
Pilotes de desplazamiento tipo CPI-2 hincado de tubería a golpe de maza
Pilotes de desplazamiento tipo CPI-3 hinca de tubería con tapón de grava u hormigón
Pilotes de extracción CPI-4 encamisados con entubación recuperable
Pilotes de extracción CPI-5 con camisa perdida
Pilotes de extracción CPI-6 perforación con lodos
Pilotes de extracción CPI-7 barrenado con hélice
Pilotes de extracción CPI-8 perforación con barrena continua
Elección del tipo de pilote según el tipo del suelo Tipo de terreno
Tipo de pilote
Terreno estable
CPI-7
Observaciones Se pueden obtener altos rendimentos y por lo tanto su costo unitario es de los más bajos
Tipo de terreno Inestabilidad solo en la parte superior de la perforación
Tipo de pilote
Observaciones Aunque los rendimientos depende de la CPI-4 (con camisa de longitud de la camisa, este tipo es más una pieza) lento d ejecución que los anteriores pero mucho más rápido que el siguiente Inestabilidad a cualquier CPI-4 (con camisas Rendimientos muy bajos, se emplean profundidad empalmables) sobre todo en obra civil Inestabilidad en el fondo rendimientos bajos y complicado de o en toda la perforación CPI-5 hacer, muy costoso al tener que dejar la Terreno con agua corriente entubación perdida inestable Rendimientos similares a CPI-4 de una Inestabilidad en el fondo pieza, no se pueden ejecutar en o en toda la perforación CPI-6 terrenos granulares (gravas) que no tengan matriz fina, pues el lodo se escapa por los intersticios de la grava Inestabilidad en toda la Rendimiento muy relacionado con la perforación y compacidad CPI-8 compacidad, se emplean en terrenos baja o muy baja blandos y con agua, con dificultades para perforar terrenos duros Inestabilidad en toda la Terrenos con capacidad baja y perforación y compacidad Pilote prefabricado de normalmente secos, si es necesario baja o muy baja hormigón emplear juntas entre los tramos el costo se incrementa, incapacidad para atravesar estratos duros
Tipos de pilotes según su longitud y los mecanismos de transferencia de carga Dependiendo de la longitud del pilote y de los mecanismos de transferencia de carga al suelo
los pilotes se dividen en dos tipos: pilotes de punta y pilotes de fricción.
Pilotes de punta
Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de capas de roca o de material rocoso en un sitio dentro de una profundidad razonable, los pilotes se pueden extender hasta el estrato rocoso .
En este caso la capacidad última de los pilotes depende completamente de la capacidad subyacente,
de los
carga
del
material
pilotes
son
llamados
entonces pilotes de punta. En la mayoría de estos casos, la longitud necesaria del pilote se establece fácilmente
Si en vez de un lecho de roca
se
encuentra
un
estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se extenderán unos pocos metros dentro del estrato duro.
Lb:
profundidad
de
penetración en el estrato de carga
Carga Carga última de pilotes de punta
Los pilotes con pedestales se construyen sobre el lecho del estrato duro, y la carga última del pilote se expresa como: Qu = Qp + Qs Qp: carga tomada en la punta del pilote Qs: Carga tomada por la fricción superficial desarrollada lateralmente en el pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote)
Si Qs es muy pequeña, entonces: Qu = Qp
En este caso, la longitud requerida para el pilote se estima exactamente si se dispone de los registros apropiados de la exploración del subsuelo
Pilotes de fricción
Cuando no se tiene un estrato de roca o de material rocoso a una profundidad razonable en un lugar, los pilotes de punta resultan muy largos y antieconómicos. antieconómicos . Para este tipo de condición del subsuelo, los pilotes se hincan a través del material
más
blando
profundidades específicas.
a
La longitud de los pilotes de fricción depende de la resistencia cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamaño del pilote. Para determinar las longitudes necesarias buen
se requiere tener un
entendimiento
de
la
interacción suelo- pilote.
L: longitud de empotramiento Lb: longitud de empotramiento en el estrato de carga
Carga última de los pilotes de fricción
Qu = Qp + Qs
Sin embargo si el valor de Qp es relativamente pequeño, entonces Qu = Qs
Se llaman pilotes de fricción porque la mayoría de la resistencia se obtiene de la fricción superficial . Sin embargo el término pilote de fricción, aunque usado frecuentemente en la literatura técnica, no es un buen nombre en suelos arcillosos, ya que la resistencia a la carga aplicada es también causada por la adhesión.
Capacidad de carga ultima de los pilotes La capacidad de carga de un pilote (Qu) es igual a la carga tomada en la punta del pilote (Qp) más la resistencia total por fricción (Qs).
Qu = Qp + Qs
D: ancho o diámetro del pilote L: longitud de empotramiento Lb: longitud de empotramiento en el estrato de carga
Carga tomada en la punta del pilote (Qp)
Capacidad de carga en la punta del pilote: qu = c* Nc *Fcs*Fcd+ q* Nq *Fqs*Fqd + ½* * D * N *F s*F d
Fcs, Fqs, F s: factores de forma debidos a la cohesión, a la sobrecarga y al peso del suelo.
Fcd, Fqd, F d: factores de profundidad debidos a la cohesión, a la sobrecarga y al peso del suelo
qu = c* N”c + q* N”q + ½* * D * N”
N”c , N”q, N” = factores de capacidad de carga que incluyen los factores
necesarios de forma y profundidad D= ancho del pilote
q = γ* Df = esfuerzo total debido al peso propio del suelo
Como el ancho del pilote es relativamente pequeño entonces el término * B * N se cancela y se considera q’ en lugar de q, obteniéndose la siguiente expresión:
qu = qp = c x N”c + q’ x N*q
Por lo tanto la carga tomada en la punta del pilote (Qp) es: Qp = Ap *qp
Qp = Ap (c x N”c + q’ x N*q) Ap: área de la punta del pilote C: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q’ : esfuerzo vertical efectivo al nivel de la punta del pilote N”c, N*q: factores de capacidad de carga obtenidos del ábaco de Meyerhof
Carga tomada por fricción superficial desarrollada lateralmente Qs Qs =
p
px
L x f ), suelo heterogéneo
: perímetro de la sección del pilote
ΔL : longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes (ΔL : potencia del estrato) f : resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad Z
Qs = p x L x f , suelo homogéneo
L : longitud del pilote
Carga tomada en la punta del pilote, apoyado en estrato arenoso
En suelo arenoso la cohesión es igual a cero, entonces
qp = q’ x N*q Qp = Ap x qp = Ap x q’ x N*q N”q se obtiene del ábaco según el angulo de fricción interna (Φ) del suelo en el estrato de apoyo
Qp no debe exceder el valor límite Ap x q1 Qp1 = Ap x q’ x N*q ≤ Ap * q1 q1 = 5000 x N*q x tan Φ (Kg/m2)
q1 = 0.5 x N*q x tan Φ (Kg/cm2) q1 = 50 x N*q x tan Φ (kN/m2) Ver ábaco de pag 515 de Braja
Carga tomada por fricción lateral en suelo arenoso Qs prom Qs = p * L * f Resistencia por fricción (f) en suelo arenoso f = k *
’o * tan
K = coeficiente de presión de tierras
σ’o
= γ * z : esfuerzo vertical efectivo aumenta con la profundidad del
pilote hasta un límite máximo a una profundidad L’ de 15 a 20 diámetros del pilote y permanece constante después, esta
profundidad crítica L’ depende de varios factores como el ángulo de fricción del suelo, la compresibilidad y la compacidad relativa.
δ : ángulo de fricción suelo – pilote, varía de 0.5 Φ a 0.8Φ L’ = 15 * D Tipo de pilote
K
Barrenado o perforado a chorro
1 - sen Φ
Hincado de bajo desplazamiento
1 - sen Φ a 1.4 * (1 - sen Φ)
Hincado de alto desplazamiento
1 - sen Φ a 1.8 * (1 - sen Φ)
Ejemplo Determinar la carga última de un pilote de concreto prefabricado totalmente empotrado de 12 m de largo que es hincado en un estrato
de suelo homogéneo arenoso (c= 0 ), el pilote tiene sección transversal cuadrada con 30.5 cm de lado. El peso especifico seco de la arena es de γd =1.68 gr/cm3. el ángulo de fricción promedio del suelo es de 35
. Considere el coeficiente de presión de tierras K = 1.4 y el ángulo
°
de fricción suelo pilote δ= 0.6 * Φ
Solución
Qu = Qp + Qs
Carga en la punta del pilote Qp
Qp = Ap x q’ x N*q Este suelo es homogéneo, por lo que Lb = L B = 30.5 cm Para Φ = 35
, N*q = 120 (Meyerhof)
°
q’ = γd * L = 0.00168 Kg/cm3 x 1200 cm = 2.016 Kg/cm2
Ap= 930 cm2 Qu = Qp Qp = 930 cm2 x 2.016 Kg/cm2 x 120 Qp= 224985 Kg Qp = 224 Tn
Se debe comprobar si la carga en la punta Qp es menor que la
resistencia límite de punta Qp1 Qp1 = Ap x q1 Qp1 = Ap x 0.5 x N*q x tan Φ Qp = 930 cm2 x 0.5 x 120 x tan 35 Kg/cm2 = 39071.7 Kg
Qp = 39 Tn Qp = 224 Tn
> Qp = 39 Tn , Entonces la carga puntual última del
pilote es Qp = 39 Tn
Carga por fricción lateral Qs
Profundidad de 0 a L’ (0 - 15D es decir de 0 a 4.575 m)
Hasta la profundidad L’ el esfuerzo vertical efectivo
’o aumenta con la
profundidad del pilote, entonces Qs = p * L * fprom f = k * σ’o * tan δ
• Para z = 0 , σ’o = 0, f o = 0
• Para z = L’ = 15D K = 1.4 σ’o = γ * z
’o = γ * 15*D ’o = 1.68 gr/cm3 * 15 * 30.5 cm = 768.6 gr/cm2 =0.7686 Kg/cm2
δ= 0.6 * Φ δ= 0.6 * 35 = 21 f L’ = 1.4 * 0.7686 Kg/cm2 * tan 21 = 0.41305 Kg/cm2 f L’ = 0.41305 Kg/cm2
f prom = (0 + 0.41305)/2 = 0.2065 Kg/cm2
p = 4 * 30.5 cm = 122 cm L’ = 15 * 30.5 cm = 457.5 cm
Qs0-15B = p * L’ * f prom
Qs = [122cm] * [457.5cm] * 0.2065 Kg/cm2 = 11525.80 Kg Qs = 11.5 Tn
Profundidad de 15D a 12 m (de 4.575 m a 12 m) Después de la profundidad L’ el esfuerzo vertical σ’o permanece constante, por lo tanto la resistencia por fricción f permanece constante
Qs 15B - 12 = p * L * f Qs = p * (L - L’) * f L’ L – L’ = 12 – 4.575 = 7.425 m = 742.5 cm f L’ = 0.41305 Kg/cm2
p = 122 cm
Qs = 122 cm * 742.5 cm * 0.41305 Kg/cm2 = 37416.13 Kg Qs = 37.4 Tn
Carga total por fricción lteral Qs = 11.5 + 37.4 = 48.9 Tn Qs = 48.9 Tn
Carga última Qu = Qp + Qs
Qu
39 Tn + 48.9 Tn
87.9 Tn
Ejemplo Determinar la carga última de un pilote de concreto prefabricado totalmente
empotrado de 18 m de largo que es hincado en un estrato de suelo homogéneo arenoso (c= 0 ), el pilote tiene sección transversal cuadrada con 425 mm de lado. El peso especifico seco de la arena es de γd =17.50 kN/m3. el ángulo de fricción promedio del suelo es de 35
. Considerar el coeficiente de presión de
°
tierras K = 1.3 y el ángulo de fricción suelo pilote δ= 0.8 * Φ
Solución: Qu = Qp + Qs
Se debe comprobar si la carga en la
Carga en la punta del pilote Qp
punta Qp es menor que la resistencia
Qp = Ap x q’ x N*q
límite de punta Qp1
Para Φ = 35
Qp1 = Ap * q1
, N*q = 120 (Meyerhof)
°
q’ = γd * L
Qp1 = Ap * 0.5 * Nq * tan Φ
Carga por fricción lateral Qs Qs = p * L * fprom
f = k * σ’o * tan δ
Carga tomada en la punta del pilote apoyado en suelo arcilloso (Qp)
Para pilotes en arcillas saturadas no drenadas ( Φ = 0)
qp = Cu * N”c Qp = Ap * Cu* N”c N”c = 9 cuando Φ = 0
Qp = 9 * Ap * Cu Cu: cohesión no drenada del suelo debajo de la punta del pilote
Carga tomada por fricción superficial desarrollada lateralmente (Qs), en
suelo arcilloso
• Carga por fricción lateral Qs determinando la resistencia por
fricción
(f) por
el método
Qs = p * L * f prom p: perímetro del pilote
L : longitud del pilote f : resistencia por fricción
f prom =
* ( ’o
+ 2 * Cu)
: coeficiente obtenido mediante ábaco (pag. 518 de Braja)
σ’o : esfuerzo vertical efectivo medio para toda lo longitud de empotramiento
Cu : resistencia cortante media no drenada ( Φ = 0)
Si el suelo es estatificado el
’o y la Cu se determinan:
’o = A1 + A2 + A3 + …..
L A1, A2, A3, … áreas de los diagramas de esfuerzo vertical efectivo
Cu : cohesión de cada estrato que conforma el subsuelo
• Carga por fricción lateral Qs determinando la resistencia por fricción (f) por
Qs =
el método α α * Cu * p * L) , suelo heterogéneo
α factor empírico por adhesión, se determina con ábaco ( pag 519 B raja) Cu : cohesión no drenada p : perímetro del pilote
ΔL: longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes, (ΔL : espesor o potencia del estrato)
Qs = α * Cu * p *L , suelo homogéneo L = longitud del pilote
Ejemplo
Determinar la carga puntual ultima sobre el pilote, si se tiene las siguientes características: Pilote de concreto de 45.8 cm por 45.8 cm de sección transversal , empotrado en una arcilla saturada. La longitud de empotramiento es de 16 m. La cohesión no drenada de la arcilla es de 0.6 Kg/cm2 y su peso específico es de 1.8 gr/cm2
Solución Qu = Qp + Qs
o
Qp = Ap *qp = Ap * Cu* N”c B= 45.8 cm Cu= 0.6 Kg/cm2 Nc = 9 (para Φ= 0), del ábaco de Meyerhof Ap = 2097.64 cm2
