UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACUL ACULT TAD DE INGENIER INGENIERÍA ÍA CIVIL ÁREA DE ESTRUCTURAS
Curso
: Ing. Cimentaciones
Alumnos : - Huamani Salazar Omar - Paucar Conce, Freddy - Tapia Manhualaya Jose -Raymundo Montes, Joel - Yangali Limaco, Geoffrey Docente
: Ing. Betty Condori
CIMENTACIONES CIMENTACIONES PROFUNDAS Son aquellos elementos que transmiten la carga de una estructura hacia capas o estratos profundos del subsuelo, evitando con ello, el desplante en suelos superficiales de baja capacidad de carga; que carga; que se presentan una profundidad de cimentación elevada elevada (varias decenas decenas de metros). metros). Dentro de esta esta clase de cimentaciones cimentaciones se encuentran: encuentran: Se clasifican clasifican • Pilas y caissons. • Pilotes.
Df /B ) >5 . Según R N E : relación relación profundidad profundidad /ancho ( D
En qué casos se utilizan las Cimentaciones Profundas?
Cuando generen una capacidad de carga que no permita obtener los factores de seguridad indicados en el Artículo 16 del RNE. Cuando generen asentamientos diferenciales mayores a los indicados en el Artículo 14 del del RNE Para anclar estructuras contra fuerzas de levantamiento y para colaborar con la resistencia de fuerzas laterales y de volteo. Para situaciones especiales tales como suelos suelos expansivos, expansivos, colapsables y licuables o suelos sujetos a erosión.
PILOTES Elementos estructurales más esbeltos que las pilas, los cuales pueden alcanzar grandes profundidades. profundidades. Clasificación por su forma de trabajo trabajo :
Los pilotes de punta . Son aquellos transmiten la carga directamente al estrato donde se apoyan.
que rodea Los pilotes de fricción . Tiene la capacidad de carga del material que
Clasificación Clasif icación por su forma constructiva. constructiva.
Prefabricados. Pilote fundido in-situ.
Clasificación Clasif icación por su longitud y diametro
Micro pilotes pilotes (10 cm ≤ D ≤ 20 cm ). Pilotes (20 cm < D ≤ 80 cm ).
FUNCIONES Y USOS DE LOS PILOTES
Transferir cargas de la superestructura , través de estratos débiles o compresibles; comportándose el pilote como una extensión de columna o pilar. Transferir o repartir la carga sobre un suelo relativamente suelto a través de la fricción de superficie superficie entre el el pilote y el suelo. suelo. Proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones, momentos de volteo o cualquier efecto que trate de levantar la estructura.
Alcanzar profundidades que no estén estén sujetas sujetas a erosión, socavaciones socavaciones u otros otros efectos . Evitar Evitar los daños a la cimentación cimentación de una edificación adyacente con una futura excavación (el pilote lleva la carga de la cimentación debajo del nivel de excavación esperado). Asegurar que que los movimientos movimientos estacionales estacionales no sucederán sucederán en áreas de suelos expansivos o colápsales . Proteger estructuras marinas como muelles, atracaderos, contra impactos de barcos u objetos f lotantes. lotantes. Soportar muros de contención, contrafuertes o cimentaciones de máquinas.
CASOS DONDE PUEDEN NECESITARSE PILOTES
CLASIFICACIÓN: SEGÚN EL MATERIAL:
P. concreto P. madera
Sin armar
P. acero
P. mixto
Armados Pretensados
SEGÚN LA FORMA DE EJECUCIÓN Y COLOCACIÓN Pre-formados (de madera, acero o prefabricados de concreto armado)
Vaciados in situ (de concreto armado o sin armar)
Hincados Vibrados Roscados o atornillados Colocados mediante gatos
Con tubos recuperables Con tubos perdidos Recuperables Perforados.
SEGÚN LA FORMA DE TRABAJO Trabajando por punta
Resistiendo por fricción lateral
Por punta y fricción simultaneas
Según la sección transversal
Según el perfil longitudinal
PILOTES DE MADERA: De longitud de 15 a 20 cm de altura. En algunos casos alcanzan los 30 m y excepcionalmente los 50 m. Una regla empírica para determinar el diámetro D para un pilote de madera es el siguiente: D=0.15 m + 0.02L CONSIDERACIONES : D≥ L/30 en suelos resistentes D≥ L/40 en suelos blandos
Métodos usuales de colocar in situ los pilotes de madera
Hincado . Consiste en golpear repetidamente la cabeza del pilote con un martillo o mazo hasta que penetre la profundidad deseada. Atornillado. Consiste en hacer penetrar el pilote comprimiéndolo axialmente y en forma simultánea hacerlo girar alrededor de su eje vertical.
PILOTES DE CONCRETO En la actualidad son los pilotes de mayor difusión y se los puede clasificar en dos grandes grupos:
PILOTES PREFABRICADOS .- Son construidos en el taller y luego transportados a la obra donde se colocan mediante hincado, roscado, o a presión con gatos.
PILOTES VACIADOS EN OBRA.- Son los excavados, que se construyen con la técnica de cavar o dragar pozos profundos para luego vaciar el concreto fresco, apisonando el material a medida que se va dando forma al pilote.
HINCA DE PILOTES
Se utiliza un equipo de grúas y martinetes (mazo) que se deja caer repentinamente sobre la cabeza del pilote hasta que este penetre a la profundidad deseada. El pilote se coloca entre las guías, debajo del martillo y su cabeza se protege con un sombrete o cabezote de madera dura o concreto resistente. Los mazos son pesados cilindros macizos de acero fundido, de 1 a 5 ton.
PILOTES ROSCADOS: METODO GRIMAUD Los pilotes roscados son de fuste circular u octogonal, en la punta presentan un perfil de rosca de acero, en forma de espiral plana de doble filete, que permite barrenar el terreno hasta la profundidad deseada.
PILOTES COLOCADOS MEDIANTE GATOS HIDRAULICOS: SISTEMA MEGA Permite instalar pilotes prefabricados por tramos cortos, utilizando gatos hidráulicos, El método consiste en ir hundiendo, uno por vez, los elementos del pilote, que se van encajando unos con otros, sucesivamente, superponiéndose hasta la profundidad necesaria.
PILOTES METALICOS Los perfiles estructurales y las secciones tubulares, son comúnmente usados como pilotes. Se prefieren las secciones H reforzadas, por que soportan mejor las grandes presiones de la superestructura. Estos pilotes tienen sección transversal reducida atraviesan estratos duros con gran facilidad.
PILOTES MIXTOS O COMBINADOS Resultan de la combinación de dos materiales, tales como acero y concreto, o la madera y el concreto. El éxito en estos pilotes mixtos radica en la calidad de la unión que se logre, la cual debe ser firme y hermética, que no permita la infiltración de agua o lodo.
SISTEMAS DE EJECUCION DESCRIPCION DE LOS METODOS: APLICACIONES
ROTACION EN SECO
APLICACIONES
CARACTERISTICAS
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En terrenos estables.
Perforación sin vibraciones Diámetros usuales: 450-2200mm.
ROTACION CON LODOS
APLICACIONES
CARACTERISTICAS
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En todo tipo de suelos susceptibles de estabilizarse con lodos bentoníticos.
Perforación sin vibraciones Diámetros usuales: 650-2200mm
ROTACION CON ENTUBACION RECUPERABLE:
APLICACIONES
CARACTERISTICAS
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En todo tipo de suelos (salvo grandes bolos o bloques).
Perforación sin vibraciones. Mínimos consumos de hormigón. Diámetros más usuales: 650-2000mm.
PILOTES REALIZADOS CON CUCHARA Y ENTUBACION RECUPERABLE APLICACIONES En todo tipo de suelos, incluyendo grandes bolos o bloques y rellenos totalmente heterogéneos (puertos, escombreras, etc.)
CARACTERISTICAS Posibilidades de grandes longitudes Diámetros usuales: 1250-2000mm
.PRUEBAS DE CARGA EN PILOTES
Se realizan in situ en pilotes de prueba con el fin de poder determinar la capacidad resistente de los mismos. Se pueden realizar en pilotes aislados o en grupos. Consisten en la aplicación de cargas de compresión, tracción o flexion.la información que se obtiene de estas pruebas es la determinación de la relación carga-asentamiento del pilote.
CAJONES, CAISSONS O POZOS DE CIMENTACI Ó N
DEFINICION: Es un tipo de cimentación semiprofunda, utilizada cuando los suelos no son adecuados para cimentaciones superficiales por ser blandos. Los pozos de cimentación también son frecuentemente utilizados para cimentar pilares de puentes en el cauce de los ríos cuando no es posible o no es conveniente crear un desvío parcial o total del río. La particularidad del pozo de cimentación es la de que se va construyendo a medida que se va hundiendo en el terreno. La sección transversal del caisson generalmente es redonda, pero existen también secciones cuadradas, rectangulares o elípticas.
CLASIFICACIÓN DE CAISSONS Caissons Estructurales: Son aquellos que hacen parte de la cimentación de una estructura, transmitiendo las cargas a un estrato resistente.
Caissons de Aproximación: Son aquellos que se utilizan para llegar a una zona de trabajo, es decir el caisson en si no es parte de la obra si no una construcción que permitirá la ejecución de otra, como se muestra en la figura.
TIPO DE CAISSONS Caissons Abiertos.- Pueden ser de variadas formas: circulares, rectangulares, ovalados o de forma celular. Se caracterizan por ser pozos abiertos en la parte superior e inferior . apropiados para cimentaciones en ríos donde el suelo predominante consiste de arcillas blandas, limos, arena o gravas, ya que son materiales que pueden ser excavados mediante pozos abiertos sin ofrecer mayores resistencias a la fricción al hundirlos.
Caissons
Cerrados .-
Son elementos estructurales que tiene el fondo cerrado, son fabricados en un lugar central y remolcado al lugar. Para la construcción de los cajones de grandes dimensiones (mayores de 30 m de longitud) se construyen celdas para reducir esfuerzos por presión del agua. Estas celdas ayudan en las operaciones de hundimiento y mantenimiento de la alineación vertical. Se recomienda emplear este tipo de cimentación debajo de construcciones con suelo de baja capacidad portante y donde el uso de pilotes hincados puede ser no adecuado por vibraciones durante el hundimiento o donde la profundidad para encontrar estrato firme es excesiva.
Caissons Neumáticos Los caissons neumáticos proporcionan un recinto herméticamente cerrado y dependen de la presión de aire para mantener una cavidad en el área de excavación. El caisson neumático presenta dificultades por: Los
costos unitarios del material excavado son altos. Prima el convenio de pago necesario por riesgos a la salud. Tiene una cámara de trabajo de 3 m de altura en el fondo. llegar a producir la muerte de Puede trabajadores por asfixia .
VENTAJAS
Se usa generalmente cuando se transmite grandes cargas como en puentes de grandes luces. Se puede vencer grandes tirantes de agua permanente en arenas y gravas, durante el proceso constructivo. Tiene mucha capacidad para soportar cargas horizontales producto de la respuesta del suelo horizontal. Se puede trabajar en suelos con presencia de bolonería.
DESVENTAJAS
En grandes longitudes se pierde la verticalidad que deben tener estas estructuras sino se tiene cuidado en el hincado. Cuando existe gran presencia de agua requiere de bombas muy grandes o de cámara de presión para poder bajar el caisson, convirtiéndose en un caisson neumático.
MICROPILOTES Los micropilotes fueron concebidos, en respuesta a la necesidad de resolver el recalce de edificios y monumentos históricos, con daños en sus cimientos por el paso del tiempo y en especial por la segunda guerra mundial. Que definen a un pilote de pequeño diámetro, que transmite la carga de una estructura a estratos de suelos más profundos, principalmente por rozamiento de su fuste con el suelo y en mucha menor medida por su punta, con asentamientos prácticamente nulos. Actualmente existe gran variedad de tipos micropilotes, pero a grosso modo se pueden dividir en dos familias, considerando la forma de hormigonado:
Los hormigonados a gravedad. Los inyectados a lo largo de todo su fuste mediante la técnica de “tubos manguitos” a alta presión (generalmente mayor de 20 Kg/cm2).
Características principales: Diámetros
comprendidos entre los 150 y los 300 mm. Los de más frecuente aplicación en el recalce de estructuras son los de diámetro 220 mm. La
perforación se realiza con rotación continua, con un equipo especialmente diseñado para operar dentro de edificios sin producir vibraciones ni ruido. El
procedimiento de hormigonado incluye la utilización caños trime. De esta manera se asegura la calidad del mortero. En obra se controla la resistencia y asentamiento. De
ser necesario se emplea el sistema de limpieza del fondo de la perforación AIRLIFT que garantiza la total remoción de detritos. Igualmente,
y dado que el sistema de perforación permite atravesar cualquier tipo de estructura, los micropilotes aseguran la unión directa con la estructura a recalzar sin obras complementarias de unión.
Ventajas de los micropilotes: •Equipo perforador de pequeñas dimensiones y silencioso. •Versatilidad de ejecución en espacios reducidos. •Facilidad de ejecución en ángulos inclinados, lo cual permite aumentar su capacidad portante frente a fuerzas horizontales. •Posibilidad de incorporar los micropilotes a la parte sana de la estructura sin la necesidad de ejecutar elementos estructurales adicionales. •Rapidez, economía y mínimas molestias en la obra comparado a otros sistemas.
Recalce de zapata mediante micropilotes
Principales aplicaciones: Recalce de Cimentaciones La necesidad de recalzar una cimentación, puede obedecer a varios motivos: Una patología, que se manifiesta principalmente por grietas y fisuras, debido a:
Variaciones de húmedad del terreno (aumento nivel freático, rotura de cañerías, etc). Diseño inadecuado de la fundación. Suelos colapsables, subscidencia, etc.
Un aumento en la carga que transmite la fundación
Mediante los micropilotes, la carga de la estructura se transmite a estratos de suelos más profundos y resistentes.
Recalce de zapatas corridas
Cimentación de estructuras: •Cuando el terreno presenta estratos de suelos blandos o suceptibles a cambios de humedad, sobre estratos más resistentes. •En lugares poco accesibles. •Escasez de espacio físico para ejecutar una fundación superficial. •Fundaciones con gran excentricidad (Alto momento y bajo esfuerzo normal). Carteles publicitarios, naves industriales, etc.)
Cimentación de un columna en una estación de servicio
Anclaje de estructuras: •Cimentación naves metálicas con altas cargas de succión. •Estructuras sometidas a subpresión (losa inferior de un sotano, tanques subterraneos) •Cimentación de antenas. •Anclajes de muros de sostenimiento
Geotecnia actualmente pasivos.
y Cimentos, realiza anclajes
Conclusiones: Es un método que no requiere construcción de elementos estructurales adicionales para su ejecución. •
Son versátiles para ser ejecutados en espacios reducidos y en ángulos inclinados, lo cual ayuda a aumentar la capacidad de soporte ante fuerzas horizontales, por ejemplo, fuerzas sísmicas. •
No responden bien a exigencias de control de deformaciones muy estricto, por lo tanto la calidad de la función del micropilote depende mucho de la rigurosidad de su ejecución. •
Permiten un aumento de capacidad al disponerlos en grupos, con un espaciamiento adecuado. •
Es un miembro estructural subterráneo que tiene la función que cumple un a zapata es decir, transmite la carga a un estrato capaz de soportarla, sin embargo en contraste con una zapata. La relación: de la profundidad de la cimentación al ancho de la base de las pilas es usualmente mayor que cuatro, mientras que para las zapatas, esta relación comúnmente es menor que la unidad.
PILAS Son elementos estructurales que presentan una sección transversal considerable y que se encargan de transmitir la carga de una sola columna a un estrato que sea capaz de soportarla.
SU DIAMETRO VARIA DE 750 MM A MAS.
Donde K es el coeficiente de reacción horizontal del suelo; D es el diámetro del pilote; E es el módulo de elasticidad del pilote; I es el momento de inercia del pilote;N es el número entero, determinado por tanteo, que genere el menor valor de Pc; L es la longitud del pilote; y FR se tomará igual a 0.35.
PILAS PERFORADAS -La
construcción de pilas perforadas en depósitos de arena densa y grava es mas fácil que hincar pilotes. -Las
pilas perforadas se construyen antes que las operaciones de nivelación estén completas. -Cuando
se hincan pilotes con un martinete, las vibraciones del terreno ocasionan daños a estructuras cercanas, que el so de pilas perforadas evita. -Los
pilotes hincados en suelos arcillosos pueden producir buzamiento del terreno y causar que pilotes previamente hincados se muevan lateralmente. Esto no ocurre durante la construcción de pilas perforadas. - Se puede usar una sola pila perforada en vez de un grupo de pilotes y una losa de cabeza de pilotes.
-No
hay ruido de martilleo durante la construcción de pilas perforadas, como se tiene durante el hincado de pilotes.
- Como la base de una pila perforada puede ampliarse, esto proporciona una gran resistencia a la carga de levantamiento. -La
superficie sobre la cual la base de la pila perforada se construye puede ser inspeccionada visualmente. -La
construcción de pilas perforadas utiliza generalmente equipo móvil, el cual bajo condiciones apropiadas del suelo, resulta más económico que los métodos de construir cimentaciones con pilotes hincados. - Las pilas perforadas tienen alta resistencia a las cargas laterales.
TIPOS DE PILAS PERFORADAS
BARRENA
PILAS PERFORADAS EN ARENA Para pilas en arena, C=0, por lo que la ecuación se simplifica
La determinación de Nq es siempre un problema en cimentaciones profundas, como el caso de pilotes. Sin embargo, note que todas las Son perforadas, a diferencia de la mayoría de los pilotes son Hincados. Para condiciones iniciales del suelo similares, el valor Real de Nq es considerablemente menor para pilas perforadas Y colocadas In situ que para los pilotes Hincados Vesic comparo Los resultados teóricos obtenidos por varios investigadores se Relativos a la variación de Nq con el Angulo de fricción del suelo .
PILAS PERFORADAS EN ARCILLAS Para pilas en arena, ɸ = 0, Nq = 1 por lo que la ecuación se simplifica
Donde Cu = cohesión no drenada. El factor de capacidad de carga, Nc, se toma usualmente igual a 9. Ya que cuando la razón L/Df es 4 o mayor . Nc = 9 que es la condición para la mayoría de las pilas Perforadas. Los experimentos por Whitaker y Cooke mostraron que, Para pilas con campana , el valor pleno de Nc =9 se alcanza con un Movimiento de la base de aproximadamente 10 a 15 % de Db. Similarmente, para aquellos con fustes rectos (Db = Ds), el valor Pleno de Nc = 9 se obtiene con un movimiento de la base de aprox. 20% de Db.
Método de Reese y O´ Neill para calcular capacidades de carga Con base en los datos de 41 pruebas de carga, Reese y O´ Neill propusieron un método para calcular la capacidad de carga de pilas perforadas. El método es aplicable a los siguiente rangos: 1. Diámetro de la pila: Ds= 0.52 a 1.2 m 2. Profundidad de la campana: L = 4.7 a 30.5 m.
3. 4. 5. 6.
Cu = 29 a 287 Kn/m2. Resistencia a la penetración estándar en campo: Nt= 5 a 60. Razón de sobre consolidación: 2 a 15. Reventa miento del concreto: 100 a 225 mm
eill, da . El procedimiento de Reese y O ´N
ENSAYOS
PRUEBAS DE CARGA EN PILOTES O PILAS Se llevará registro por lo menos de los datos siguientes:
a) Condiciones del subsuelo en el lugar de la prueba; b) Descripción del pilote o pila y datos obtenidos durante la instalación; c) Descripción del sistema de carga y del método de prueba; d) Tabla de cargas y deformaciones durante las etapas de carga y descarga del pilote o pila; e) Representación gráfica de la curva asentamientos – tiempo para cada incremento de carga; y f) Observaciones e incidentes durante la instalación del pilote o pila y la prueba.
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PILAS DE CIMENTACION En situaciones donde se tienen proyectos con altas descargas en terrenos con capacidades limitadas, se requiere realizar una cimentación profunda por medio de pilas coladas In-Situ. En MAM Geotecnia® contamos con el equipo para la perforación y construcción de estos elementos, así como proporcionar soportar en el diseño de los mismos.
MICROPILOTES
PILAS ENROCADAS
PRUEBAS DE PLACA Esta prueba consiste en aplicar una carga directamente al suelo por medio de una superficie determinada, para así obtener: Deformación Temporal, De formación Permanente, Modulo de elasticidad del suelo (Coeficiente de Balastro K) e inferir capacidad de carga del suelo y asentamientos permisibles.
PRUEBA DE ANCLAJE La prueba de anclaje es útil para determinar la capacidad del elemento y los índices de adherencia.
PRUEBA DE MICROPILOTES consiste en ensayar el elemento (Micro Pilote) ya sea a compresión o a tensión, MAM cuenta con el equipo y la tecnología para realizarlas en escala real y modelar las condiciones de carga a las que se encontrarán sometidos los elementos (Bancos de pruebas, Gatos hidráulicos, Micrómetros para medición, etc. También realizamos pruebas de grupo para determinar la eficiencia de trabajo.
CALCULOS EN PILOTES Y PILAS
