MODELACIÓN DE PILOTES A TRACCIÓN EN TERRENOS ARCILLOSOS
SANDRA PATRICIA BENÍTEZ TELLEZ DANIEL JAVIER CORREDOR PAMPLONA DIEGO ALEJANDRO CRUZ CABEZA DAYA DAYANARA VANES VANESA A MEJÍA MARTÍNEZ M ARTÍNEZ
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS INGENIERIA CIVIL TUNJA 2017
MODELACIÓN DE PILOTES A TRACCIÓN EN TERRENOS ARCILLOSOS
SANDRA PATRICIA BENÍTEZ TELLEZ DANIEL JAVIER CORREDOR PAMPLONA DIEGO ALEJANDRO CRUZ CABEZA DAYA DAYANARA VANES VANESA A MEJÍA MARTÍNEZ M ARTÍNEZ PRESENTADO: INGENIERO EDWIN ANTONIO GUZMAN SUAREZ
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS INGENIERIA CIVIL TUNJA 2017
1. DES DESCRI CRIPCI PCIÓN ÓN DEL PRO PROBLE BLEMA MA
1.1PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A nivel internacional los pilotes a tracción han tenido una gran participación participación en la inve invest stig igac ació ión n de esta esta nuev nueva a tecn tecnol olog ogía ía;; es el caso caso que que se pres presen enta ta en la 1 universidad central “Marta Abreu” de las villas ubicada en Cuba , esta institución a través de análisis estudios con esta clase de pilotes ha reali!ado pruebas de carga a co"presión tracción, deter"inando con esto la de#or"ación su#rida por el pilot pilote e a "edid "edida a que se incre incre"en "enta ta la carga carga de tipo tipo lento, lento, $unto $unto con con esto esto investigando los suelos inestables co"o suelos arenosos arcillosos% &stas investigaciones no se han reali!ado solo a nivel internacional, a pesar de que que es un te"a te"a nuev nuevo o ha algun algunos os estud estudios ios que que e'a"i e'a"ina nan n a pro# pro#und undid idad ad la interac interacción ción de esta clase clase de pilotes pilotes la elección elección "ás ópti"a para para controlar controlar la #ricción seg(n las condiciones del subsuelo, las características de hincado, el probable co"porta"iento de las ci"entaciones la econo"ía ), co"o el estudio reali!ado en Colo"bia con pilotes de tracción deter"inando que lo "ás i"portante para controlar es el #enó"eno de la tracción el cual depende en gran "edida del suelo, la #ricción del "aterial el es#uer!o al cual se ve so"etido *% +as especi#icac especi#icacione iones s técnicas técnicas del suelo suelo son las que deter"inan deter"inan el "aterial "aterial a utili!ar para reali!ar el pilote, es por esta ra!ón que estos se clasi#ican seg(n un tipo de "aterial "ateria l./0 co"en!ando por el hor"igon in situ se e$ecutarán "ediante e'cavación previa, aunque ta"bién podrán reali!arse "ediante despla!a"iento del terreno o con técnicas "i'tas .e'cavación despla!a"iento parcial%
1 (METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE PILOTES, Santa Clara 2014 pág. 2! 2 (P"#$, %an&', T'rn)*rn, 1++ pág. -! - (M.Da&! 4 (Can&a', 200-!
.//0 .//0 podrá podrá ser ser hor"i hor"igó gón n ar"ad ar"ado o .hor" .hor"igo igones nes de alta alta resist resisten encia cia00 u hor"i hor"igón gón pretensado o postensado% .///0 acero- se podrán utili!ar secciones tubulares o per#iles en doble o en 2% +os pilo pilote tes s de acer acero o se debe deben n hinc hincar ar con con a!uc a!uche hes s .pro .prote tecc ccio ione nes s en la punt punta0 a0 adecuados% ./30 "adera- se podrá utili!ar para pilotar !onas blandas a"plias, co"o apoo de estructuras con losa o terraplenes% .30 "i'tos, co"o los de acero tubular rodeados rellenos de "ortero% Con esta investigación se busca anali!ar entender la "odelación de los pilotes a tracción "ediante pruebas de laboratorio, deter"inando con esto si el tipo de "aterial a#ecta la #ricción que está directa"ente ligada con la tracción, indagando por "edio de todos los estudios reali!ados co"o controlar la tracción en los pilotes seg(n el tipo de siste"a constructiva, a sea pilote pre#abricado, despla!a"iento con a!u#re, despla!a"iento con tapón de 4rava, vaciados in situ, in situ en seco% 5e los cuales los pilotes pre#abricados son los que "ás se ven a#ectados por el terreno% +o cual nos lleva a preguntarnos 6Có"o controlar en cada tipo de pilote la tracción que se provoca en ele"entos estructurales7
1%) Ju!"#"$%$"&' (' !)*+"', -( '($("-%- /(*!"'('$"%: /(*!"'('$"% :
Control Controlar ar la tracción tracción que se present presenta a en los pilotes especial"e especial"ente nte en suelos suelos arcilloso, reali!ando "odelaciones "odi#icaciones en los "ateriales utili!ados para la elaboración de pilotes, teniendo en cuenta la interacción presente entre el suelo pilote para llegar a un correcto análisis del proble"a que se presenta en la tracción de este, utili!ando co"o guía el tipo de "aterial el cual es uno de los principales inter"ediarios
2. OBJET ETIIVO VOS S
2.1OBJETIVO GENERAL
&'a"inar el co"porta"iento que se presenta en los pilotes a tracción en suelos arcillosos "ediante representaciones pruebas de laboratorio%
2.2OBJETIVOS ESPECIICOS
Anali!ar en qué estructuras estructuras traba$an "e$or los pilotes a tracción deter"inar qué tipo de pilote ."aterial0 se co"porta "e$or ante las cargas verticales%
5eter"inar el tipo de pilote en cuanto a su construcción ./, //, ///0, cual per"ite tracción en relación a la #ricción con el suelo arcilloso%
/nvestigar que "étodo utili!ar para evitar la tracción en pilotes #abricados en terrenos arcillosos arcillosos dis"inuir la #alla de la ci"entación ci"entación o patología de esta, deter"inando el ángulo de #ricción del "aterial%
. MA MARC RCO O TE TEOR ORIC ICO O 1% 5e#inición Cuando co"en!a"os a reali!ar las e'cavaciones para la e$ecución de una obra, pode"os topar con diversas di#icultades para encontrar el estrato resistente o #ir"e donde quere"os ci"entar% &n este proceso se nos presenta la necesidad de apoar una carga aislada sobre un terreno no #ir"e, o di#ícil"ente accesible por "étodos habituales% 8ara solucionar estos tipos de di#icultades di#icultades usa"os los pilotes% 9e deno"ina pilote al ele"ent ele"ento o constru constructiv ctivo o de ci"entac ci"entación ión pro#und pro#unda a de tipo puntual puntual utili!ad utili!ado o en obras, que per"ite trans"itir las cargas de la superestructura e in#raestructura a través de estratos #lo$os e inconsistentes, hasta estratos "ás pro#undos con la capacidad de carga su#iciente para soportarlas; o bien, para repartir estas en un suelo relativa"ente blando de tal "anera que atraviesen lo su#iciente para que per"ita soportar la estructura con seguridad% )% 8rincipio de #unciona"iento +os pilotes tras"iten al terreno las cargas que reciben de la estructura "ediante una co"binación de ro!a"iento lateral o resistencia por #uste resistencia a la penetración o resistencia por punta% A"bas dependen de las características del pilote del terreno, la co"binación idónea es el ob$eto del proecto% Cabe se:alar que, co"o en todo traba$o relacionado con la ingeniería civil, e'iste cierto grado de incertidu"bre en la capacidad #inal de un pilote% &s por esto que buena parte de la investigación que se viene desarrollando en este ca"po tiene que ver con "étodos que per"itan hacer un control de calidad a ba$o costo del pilota$e antes de aplicar las cargas% &l "étodo "ás obvio aunque el "ás costoso es hacer una prueba de carga% Co"o "étodos alternativos pode"os "encionar- pruebas de resonancia, prensa hidráulica de sterberg, pruebas de análisis de ondas, pruebas sís"icas% &n "uchos casos las teorías que per"iten esti"ar la resistencia de #uste la resistencia de punta son de tipo e"pírico% &s decir, son el resultado de un análisis estadístico estadístico del co"porta"iento co"porta"iento de ciertos pilotes en deter"inadas condiciones condiciones de terreno% 8or lo tanto, es su"a"ente i"portante conocer el origen las condiciones ba$o las cuales deter"inadas #ór"ulas de cálculo son válidas%
*% Clasi#icación *%1% 9eg(n su #or"a de traba$o *%1%1% 8ilotes rígidos de pri"er orden%
8ilote rígido de pri"er orden *%1%)% 8ilotes rígidos de 9egundo rden% 9on aquellos que al estar soportando una carga sobre su cabe!a dentro de un estrato estrato pro#und pro#undo o de suelos suelos "enos #ir"es #ir"es co"o co"o un estrato estrato pro#und pro#undo o de suelo suelo granular o coherente% &n este caso se debe utili!ar un pilote rígido de segundo orden éste se debe pro#undi!ar hasta que la punta llegue a encontrar terreno #ir"e de "aor espesor%
&ste tipo de pilote trans"ite su carga al terreno por punta, pero ta"bién descarga gran parte de los es#uer!os de las capas de terreno que ha atravesado por ro!a"iento lateral% +a punta al per#orar la pri"era capa #ir"e, puede su#rir asientos di#erenciales considerables%
8ilote rígido de 9egundo rden *%1%*% 8ilotes #lotantes% Cuando el terreno donde se construe posee el estrato a gran pro#undidad; en este caso los pilotes están su"ergidos en una capa blanda no apoan en ning(n estrato de terreno #ir"e, por lo que la carga que trans"ite al terreno lo hace (nica"ente (nica"ente por e#ecto de ro!a"iento ro!a"iento del #uste del pilote, su valor resistente es en #unción de la pro#undidad, diá"etro naturale!a del terreno% 9e calcula la longitud del pilote en #unción de su resistencia% &n #or"a e"pírica sabe"os que los pilotes cua longitud es "enor que la anchura de obra, no pueden soportar su carga%
8ilote #lotante *%)% 9eg(n el siste"a constructivo*%)%1% 8ilotes pre#abricados +os pilotes pre#abricados ta"bién se los conoce por el no"bre de pilotes pre "oldeados, estos pertenecen a la categoría de ci"entaciones pro#undas; pueden estar estar constru construidos idos con concret concreto o ar"ado ar"ado ordinar ordinario io o con concret concreto o pretens pretensados ados si"ilares a postes de lu! o secciones "etálicas% &stos pilotes se hincan o clavan vertical"ente sobre la super#icie del terreno por "edio de golpes, esto "ediante un "artinete, pala "etálica equipada, "aquinas a golpe de "asas o con "artillo neu"ático esto hace que el ele"ento descienda, penetrando penetrando el terreno, terreno, tarea que se prolonga hasta que se alcan!a la pro#undidad pro#undidad del estrato resistente se produ!ca el =recha!o= del suelo en caso de ser un pilote que traba$e por =punta=, o de llegar a la pro#undidad de dise:o, en caso de ser un pilote que traba$e por =#ricción=% na ve! hincado o clavado en el terreno , este e$erce sobre el pilote en toda su super#icie lateral, una #uer!a de adherencia que au"enta al continuar clavando "as "as pilo ilotes tes en las pro' ro'i"id i"ida ades, pudiend iendo o conse nseguir guir "edia ediant nte e este procedi"iento, una consolidación del terreno% &s i"portante indicar que la operación de hincado o clavado del pilote debe de reali!arse sie"pre de dentro hacia #uera% &stán &stán const constitu ituid idos os en toda toda su longit longitud ud "edian "ediante te tra"os tra"os ensa ensa"bl "blab ables les%% 9on 9on relativa"ente relativa"ente caros a que están #uerte"ente ar"ados para resistir los es#uer!os durante el transporte el clavado en el terreno% +a punta va re#or!ada con una pie!a "etálica especial para per"itir la hinca o el clavado%
+a sección del pilote suele ser cuadrada sus di"ensiones nor"al"ente son de *> c"% ' *> c"% ó ? c"% ' ? c"% @a"bién se construen con secciones he'agonales en casos especiales% &stán co"puestos por dos ar"aduras- una longitudinal con diá"etros de )? ""% otra transversal co"puesta por estribos de varilla de sección ""% co"o "íni"o% +a cabe!a del pilote se re#uer!a uniendo los cercos con una separación de ? c"% en una longitud que oscila en 1 "% *%)%)% 8ilotes de 5espla!a"iento +os pilotes de despla!a"iento son los pilotes que se construen sin e'traer las tierras del terreno tienen dos siste"as de e$ecución di#erentes% *%)%)%1% 8ilotes de 5espla!a"iento con A!uche 9e utili!an cuando los pilotes poseen diá"etros peque:os .se considera entre *> B? c"% apro'i"ados0 el terreno es resistente pero poco estable% 9e e$ecuta la hinca con una entubación que posee un a!uche de punta cónica o plana en su e'tre"o in#erior, la entubación puede ser "etálica o de concreto% &l a!uche posee un diá"etro e'terior "aor en apro'i"ada"ente ? c"% que el pilote, con la parte superior cilíndrica a preparada para introducir en el e'tre"o in#erior de la entubación% Con golpes de "a!a o "artillo se hinca desde la parte superior de la entubación se enca$a hasta la pro#undidad que se requiere para el pilota$e% +uego se e'trae la entubación con la precaución de que quede un "íni"o de concreto igual a ) veces el diá"etro interior; de esta "anera se i"pide la entrada de agua por la parte in#erior% +a #or"a de e'traer la entubación es con un golpe en la cabe!a, logrando el e#ecto de vibrado del concreto% *%)%)%)% 8ilotes de 5espla!a"iento con @apón de 4ravas &ste siste"a se reali!a por una hinca entubación por golpe sobre un tapón de gravas u concreto, introducido antes en la entubación% &l concreto se coloca en peque:as tongadas se va co"pactando hasta obtener un tapón que debe tener co"o "íni"o tres veces el diá"etro del pilote% Con Con la pres presió ión n e$er e$erci cida da por por las las pare parede des s del del tubo tubo se va prog progre resi siva va"e "ent nte e e#ectuando un despla!a"iento lateral del terreno, llegando con el tubo hasta la pro#undidad calculada para el pilota$e% &l golpe de "a!a desalo$a el tapón del tubo queda ensanchada la punta de los pilotes%
+uego se coloca la ar"adura, se quita la ca"isa se reali!a la hor"igonada por tongadas%
cohesiva tan #rágil, cualquier "ovi"iento co"o el que produce la broca al per#orar, hace hace que se ro"pa o"pa dic dicha cohe cohesi sión ón el "ate "ateri ria al trab traba$ a$e e co"o co"o un suelo uelo #riccionantes0, es por ello que se presentan des"orona"ientos en el interior de las paredes de la per#oración; a este #enó"eno se le deno"ina =caídos=, es por ello que se recurre a diversos "étodos para evitar que se presente% no no de los princ princip ipale ales s "étod "étodos os de evita evitarr =caído =caídos= s=,, cons consist iste e en vacia vaciarr =lodo =lodo bentonítico= en el interior de la per#oración, al vaciar posterior"ente el concreto dentro, el lodo saldrá por di#erencia de densidades% tro "étodo "enos e"pleado, es el uso de =ca"isas= o =ade"es= de acero recuperables, los cuales no son "ás que que secc seccion iones es "etáli "etálica cas s que que se introd introduc ucen en en la e'cav e'cavaci ación ón evita evitan n que el "aterial de las paredes caiga%
Colocación de estructura para el vaciado posterior *%)%%1% 8ilota$e =in situ= en seco% &ste tipo de pilota$e co"prende di#erentes #ases co"o son la per#oración del subsu subsuelo elo con con hélic hélice e o ca!o, ca!o, coloc colocac ación ión de ar"ad ar"adura ura de acero acero verti vertido do de concreto "ediante tubo tre"ie que se reali!a de aba$o a arriba% *%)%%)% 8ilota$e =in situ= con ca"isa recuperable o perdida% &n terrenos #angosos o cercanos al nivel del "ar o cuencas de ríos% &ste pilota$e co"prende la introducción de ca"isas para su$eción de las paredes a per#orar, per#oración del terreno, colocación de ar"aduras vertido de concreto% *%)%%*% 8ilota$e =in situ= con auda de lodos bentoníticos% &sta &sta per#or per#orac ación ión no se reali! reali!a a en seco seco a que que ha que su"in su"inist istrar rar el lodo lodo bentonítico a la per#oración, el cual penetra en las #isuras del terreno para crear una peque:a =costra= que i"pida la caída de las paredes per#oradas% Así estos lodos se recuperan en un tanque en el cual se #iltra se vuelve a reutili!ar en la
siguiente siguiente per#oración% 5espués de este proceso se coloca la ar"adura se vierte el concreto% *%)%%% 8antalla de pilotes secantes =in situ=% &ste es el "étodo "ás utili!ado a que per"ite hacer una e'cavación del terreno a gran pro#undidad, sin preocupación de que se puedan deteriora ci"entaciones de viviendas contiguas co"o ta"bién del acerado de la calle, así i"pide el paso del nivel #reático a los sótanos% Con este "étodo se pueden construir di#erentes plant plantas as de parFi parFing ng que, que, co"o co"o ante anterio rior"e r"ente nte he"os he"os indica indicado do,, es soluc solución ión in"inente por el gran proble"a de aparca"iento que e'iste en nuestras ciudades% &sta pantalla traba$a ta"bién co"o ci"entación de la estructura u obteniéndose así un doble aprovecha"iento de este tipo de ci"entación especial% % Materiales tili!ados /ndica"os los "ateriales utili!ados en pilota$e%1% Madera +a "adera "adera se e"ple e"plea a desd desde e la preh prehist istor oria; ia; en ese ese enton entonces ces los habit habitan antes tes lacustres construían sus cho!as apoándolas sobre troncos hincados en el lecho del lago% &stos troncos lograron conservarse "ientras las aguas que los rodeaban eran ácidas, es decir de pantanos turbosos% +os rol rolli! li!os de "adera se cons onservan rvan "ás "ás tie tie"po "po si se los los "an "antien iene per"anente"ente "o$ados o secos, pero si se alternan estas condiciones de hu"edad, se destruen rápida"ente% Antes de colocar colocar los pilotes pilotes se aconse$a aconse$a i"pregnarlos i"pregnarlos a presión presión con una sustancia sustancia protectora para evitar el ataque de hongos o insectos que destruen sus #ibras% +as "aderas "ás usadas, por ser "ás econó"icas, son pino abeto% 9i se requiere de "aor resistencia por el ataque de aguas de "ar o por i"pactos, se debe recurrir a "aderas "ás costosas pero de "aor dure!a, co"o por e$e"plo la haa o la teca% +os rolli!os naturales son "ás econó"icos, pero si poseen sección cuadrada, son "e$ores para sus posibles e"pal"es% &l hincado debe reali!arse con golpeteo suave sobre la parte "ás gruesa del tronco% &n pilotes "ás grandes la carga de traba$o no ha de superar las )? @% &sta clase de pilota$e se e"plea donde el tronco de árbol es un "aterial habitual #ácil de encontrar en ese lugar, o cuando se trata de ci"entaciones en !onas lacustres% %)% Acero
9e utili!an con secciones en 2 o en Ca$ón% &n tipo ca$ón pueden rellenarse de concreto después de haberse colocado% A veces se constitue constitue el pilota$e con per#iles planos e"pal"ables, e"pal"ables, es el tablestacado, que se consiguen con secciones de acero la"inado en caliente% 9e los utili!a co"o contención de tierras co"o barrera del agua en caso de e'cavaciones para ci"entaciones, sótanos% &n "uelles !onas ribere:as ta"bién suele usarse% 8ara evitar la corrosión, el acero puede contener una cantidad i"portante de cobre , se lo lla"a lla"a acero acero de o'ida o'idació ción n contro controlad lada a o estar estar i"preg i"pregna nado do con pintu pintura ra bitu"inosa% +os hincados en pilotes de acero son "ás #uertes vigorosos% 9i es necesario, pueden recuperarse se les puede hacer variar su longitud por corte o por soldadura%
Ar"a!ón de acero %*% Concreto +os pilotes #abricados de este "aterial se dividen en8ilotes 8re#abricados 8ilotes vaciados in 9itu G% Casos en que se usan 8ilotes Cuan Cuando do las las car cargas gas tran trans" s"it itid idas as por el edi# edi#ic icio io no se pued pueden en dist distri ribu buir ir adecuada"ente en una ci"entación super#icial e'cediendo la capacidad portante del suelo%
8uede 8uede darse darse que los estrato estratos s in"ediat in"ediatos os a los ci"ientos ci"ientos produ!can produ!can asiento asientos s i"previstos que el suelo resistente esté a cierta pro#undidad; es el caso de edi#icios que apoan en terrenos de ba$a calidad% Cuan Cuando do el terren terreno o está está so"et so"etido ido a gran grandes des varia variacio ciones nes de te"pe te"pera ratu tura ra por hincha"ientos retracciones producidos con arcillas e'pansivas% Cuando la edi#icación está situada sobre agua o con la capa #reática "u cerca del nivel de suelo% Cuando los ci"ientos están so"etidos a es#uer!os de tracción% Aquí tene"os tene"os varios varios casoscasos&n edi#icios de altura e'puestos a #uertes vientos% &n construcciones que requieren de ele"entos que traba$en a la tracción, co"o estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo% Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; co"o en los "uros de contención de los "uelles% Cuando se deben recal!ar ci"ientos e'istentes%
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