1. GENERALIDADES
Los pilotes son necesarios cuando la capa superficial o suelo portante no es capaz de resistir el peso del edificio o bien cuando esta se encuentra a gran profundidad; también cuando el terreno está lleno de agua y ello dificulta los trabajos de excavación. Con la construcción de pilotes se evitan edificaciones costosas y volúmenes grandes de cimentación. Los pilotes pueden alcanzar profundidades superiores a 40m teniendo una sección transversal de 2 – 4m, pudiendo gravitar sobre ellos una carga de 2000Ton. Los pilotes deber recibir fuerzas longitudinales de compresión, ya que las cargas por flexión producen deformaciones mayores con un alto grado de peligrosidad, sin embargo, en ocasiones deberán tomarse en cuenta otras solicitaciones de cargas horizontales como viento y sismo. Una excentricidad por pequeña que sea provoca cambios importantes en los esfuerzos de los pilotes. La capacidad de estos para soportar las cargas dependerá de la resistencia desarrollada entre ellos y el subsuelo.
2. CAPACIDAD PORTANTE DE PILOTES La capacidad portante de un pilote instalado en suelo depende de factores muy variados y resulta difícil establecer su valor con una única fórmula. El proceso debe incluir factores variables de acuerdo al tipo de fenómeno que se provoca durante la instalación de un pilote. La función del pilote consiste en recibir en su cabeza una carga de la superestructura y transferirla al suelo que lo rodea a través de toda su longitud. El mecanismo de transferencia de la carga del pilote al suelo se efectúa a través de la superficie lateral del pilote y por la resistencia de la punta del mismo en el suelo.
Acción en la punta
Si el pilote se instala por hincado, el suelo inmediatamente alrededor de la punta está profundamente alterado por efecto de la hinca. Esta transformación de la estructura del suelo puede ser favorable por efecto de la densificación. Como ocurre en las arenas. Pero puede ser desfavorable en los suelos cementados o pre-consolidados. La rotura producida por la hinca puede significar una disminución de la capacidad portante que no se recupera con la readaptación producida a través del tiempo. Los pilotes pre-perforados y hormigonados en sitio por lo general producen una alteración menor en las propiedades resistentes del suelo alrededor de la punta del pilote. Este sistema podría ser favorable en suelos cementados cementados o preconsolidados, sin embargo al no densificar el suelo circundante puede ser desfavorable ante pilotes hincados ene suelos granulares sueltos. Para la resistencia por punta de pilote se puede considerar la analogía con cimentaciones superficiales de forma que en principio se puede partir de la expresión general de Brinch – Hansen:
ℎ = ´ + Terzaghi supone la rotura global (zona en rotura activa y zona en rotura pasiva) en el terreno bajo la punta del pilote y el terreno lateral actúa en forma de sobrecarga:
=
Meyerhoff supone un mecanismo de rotura empieza de forma parecida al de rotura global, sin embargo, las líneas de rotura continúan en forma de espiral que se va abriendo hasta que se interseque con el fuste del pilote. Berenzantsev la hipótesis básica de este autor es que en realidad la sobrecarga q en el plano de apoyo inferior que l debido a efecto silo causado por la propia construcción del pilote o por el estado natural del terreno. Esto facilita la subida del terreno en la zona lateral.
γ
Gibson se basa en la existencia de un bulbo en el que el suelo se encuentra plastificado. Este bulbo es estable hasta que se llega a rotura en que va creciendo alcanzando incluso la superficie del terreno.
En lo que se refiere a resistencia por punta en ARENAS donde se desprecia la cohesión viene dada por:
ℎ = En ARCILLAS la resistencia por punta es más compleja ya que se puede producir remoldeo del suelo con el consiguiente cambio de propiedades y se puede producir procesos de consolidación simultáneamente. Generalmente se trabaja en tensiones totales. En ARCILLAS BLANDAS (qu < 2.5kp/cm2) puede despreciarse la contribución por punta del pilote ya que es pequeña en comparación con la contribución que se obtendrá del fuste. Análogamente a como se ha hecho en arenas se partirá de la expresión general de Brinch – Hansen:
ℎ = ´ +
En la que los factores Nc y Nq valen:
Nq = 1
Nc = π + 2
Y los factores de forma se pueden calcular como:
= + ∅ = + Y los factores de empotramiento vienen dados por: 1
= + ∅(−∅) = − ∅
Acción lateral
La transferencia de carga por acción lateral se produce fundamentalmente a través de dos clases de fenómenos: a. Adherencia entre el suelo y la superficie del pilote b. Fricción desarrollada por la presión existente en la superficie de separación entresuelo y pilote. A su vez la rotura por acción lateral puede producirse por la superficie de separación entre pilotes y suelo, debido al corte del suelo circundante, de acuerdo a los valores relativos de la adherencia suelo – hormigón y resistencia al corte de los suelos. La capacidad de carga del grupo de pilotes se calcula suponiendo que el grupo de pilotes forma una cimentación gigantesca, cuya base está al nivel de las puntas de los pilotes y cuyo ancho y largo son el ancho y largo del grupo de pilotes. La capacidad del grupo es la suma de la capacidad de carga de la base de la "cimentación", mas la resistencia a esfuerzo cortante a lo largo de las caras verticales del grupo que forma la "cimentación". La capacidad de carga del grupo de pilotes se encuentra generalmente usando factores para cimentación profunda cuando la longitud del pilote es por lo menos diez veces el ancho del grupo y cuando el suelo es homogéneo; en todos los casos, se usan los factores para cimentaciones poco profundas. El esfuerzo cortante alrededor del perímetro del grupo de pilotes, es igual a la resistencia del suelo, determinada sin tener en cuenta ningún aumento de presión lateral debido al desplazamiento producido por el pilote, multiplicada por él arrea de la superficie lateral del grupo. Aunque los ensayos en modelos indican que la verdadera capacidad del grupo es siempre ligeramente menor que la calculada, la diferencia está ampliamente comprendida dentro del factor de seguridad de 2. El mecanismo de rotura por fuste está muy bien definido ya que tiene lugar en la interface pilote – terreno. Basta por tanto plantear la condición de rotura, que en este caso es la Mohr – Coulomb:
= + ´ Donde:
a = adherencia δ = ángulo de rozamiento ´ = tensión efectiva horizontal
2
Fricción negativa
La fricción negativa es un fenómeno que aparece toda vez que el movimiento relativo entre suelo y pilote, en lugar de proveer resistencia para ayudar a soportar las cargas externas, se invierte y recarga el pilote sumándose a dichas cargas. Este arrastre puede derivar de tres causas, cada una de las cuales requiere, en general, soluciones diferentes. 1.- Hundimiento regional, como el que puede producirse en las arcillas blandas normalmente consolidadas, o ligeramente pre-consolidadas, por un aumento de su peso efectivo originado en una depresión general del nivel freático. 2.- Consolidación de una capa blanda bajo su propio peso como consecuencia del amasado que produce la hinca de pilotes, en general cuando se tiene un grupo grande de pilotes con poco espaciamiento entre ellos.
3. TIPOLOGÍA DE PILOTES
Según el material
Los pilotes según el material pueden ser: -
Madera .- su característica principal es que se conserva bien bajo el agua. Su diámetro o grueso varía entre 15 y 35cm, el cual debe estar en función de su longitud. En terrenos resistentes el diámetro de los pilotes suele ser de 1/20 de su longitud; en terrenos blandos puede reducirse a 1/10.
-
Metálicos .- la velocidad de oxidación es lenta y se tiene la oportunidad de aprovechar perfiles laminados. Estos pueden ser macizos de hierro cuando la dureza no permite la hinca de pilotes de madera, ya que son preferibles por su rigidez. También puede se Tubos de hierro, son recomendables para terreno de arena o fango.
-
Hormigón .- armado o pretensado. Su diámetro varía entre 20 a 50cm y su longitud de 4 a 20cm generalmente de sección cuadrada.
Mixtos .- es la combinación de perfiles con hormigón.
Según el método de elaboración. -
Prefabricados.- en este caso se transportan desde una planta de fabricación y se hincan por percusión, por presión o vibración, mediante gatos hidráulicos, roscados al terreno o se instalan en perforaciones previamente perforadas.
3
-
Ejecutados in situ.-
existen
varias
tipologías,
entre
las
más
importantes de tiene:
Hinca de entubación recuperable con un azuche (tapón perdido en la punta de la entubación)
Hinca de entubación recuperable con tapón de gravas
Barrenados se lo hace introduciendo un mortero por el eje de la barrena que desplaza el terreno triturado. Finalmente se va extrayendo la barrena y al mismo tiempo se hormigona. Las armaduras se introducen en el hormigón fresco.
-
Hormigonados in situ.- el tamaño máximo del árido se limitará a 32mm o a ¼ de la separación entre redondos longitudinales, eligiéndose el menor de entre ellos. En condiciones normales se utilizarán preferiblemente tamaños máximos de árido de 25mm si es rodado y de 20mm se procede de machaqueo.
Según la forma de transmitir carga al terreno -
Columna.- fuerte predominio de la componente punta (capa resistente bajo suelo blando).
-
Flotantes.- llamados también de rozamiento y la transmisión es a lo largo del pilote al suelo deformable al que se adhiere por fuste.
Según la forma de puesta en obra con respecto al terreno -
Pilote de desplazamiento .-
-
Pilote de extracción.- se excava previamente el terreno donde se va a
o hincados se instalan en el terreno desplazando en el terreno un volumen de suelo equivalente. Primero el terreno sube, pero luego solo se comprime. Se caracteriza por la fuerte fricción, alteración del suelo, en general mejora por compresión del terreno y reduce el costo de hinca.
instalar el pilote. Se caracteriza por la débil fricción suelo – pilote debido a la débil tensión normal.
-
Pilote de extracción – desplazamiento.- se excava previamente un volumen de suelo inferior al que ocupará el pilote terminado.
4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y EFICIENCIA DE LOS PILOTES La altura de la zapata sobre la armadura inferior será mayor o igual a 150mm para zapatas y mayor o igual a 300mm para el caso de cabezales de pilotes.
4
En suelos arcillosos se produce remoldeo de la arcilla, lo que suele reducir la eficiencia del grupo de pilotes. El efecto grupo o eficiencia es en este caso menor que la unidad, es decir: EG de pilotes hoincados en suelo arcillosos Kerisel (1967) Separacion entre pilotes 2.5 Ø 3.0 Ø 4.0 Ø 5.0 Ø 6.0 Ø 8.0 Ø 10 Ø
Eficiencia 0.55 0.65 0.75 0.85 0.9 0.95 1
5. DISEÑO DE ZAPATA SOBRE PILOTE Datos de columna Col = 40cm x 40cm Carga de servicio
Ps 150 Ton Carga ultima
Pu 185 Ton Datos de pilote
D 0.35 m Padm 26 Ton L 30.00 m f' c 180 kg/cm 2 As 8 12mm Datos de zapata
f' c 210 kg/cm 2 Fy 4200 kg/cm 2
Asumo h zapata 0.50 m Datos de suelo s 1.80Ton/m 3
1. DIMENSIONAMIENTO 2
Pe 26 3 * 0 .35
*
0 .50 * 2 .4
Pe 24.677 Ton N PILOTES
NPILOTES
150 24 .677 7
Separación entre pilotes S 2 * D 5
S 2 * 0.35 S 0.70 2,85 0,38
1,05
1,05
0,38 0 2 , 0
8 3 , 0
Ø 0 ,3 5
0 5 8 0 , , 1 1
0 7 , 0
8 3 , 0
0 2 , 0
0,20
0,70
B ZAPATA 1.80 m LZAPATA 2.85 m PP 2.85 * 1.80 * 0.50 * 2.40 P TOTAL 150 3.59 P PILOTE
0,20
0,70
PP 3.59 Ton P TOTAL 153.59 Ton
153.59 6
P PILOTE 25.60 Ton PPILOTE Padm ok
2. DISEÑO Diseño a flexión sentido Y-Y 185 R 30.83 Ton 6 R Fs * P adm
30.83 3 * 26 78 ok
0 4 , 0
Mf 30.83 30.83 * 0.85 Mf 52.42 Ton m b 180 cm , d 33 cm
d1
f' c 210 kg/cm 2 , As 4200 kg/cm 2 ρ 0.008 ρMAX OK
0,40
0,85
As b * d * ρ , As 180 * 33 * 0.008 As 47.52 cm 2
3. Diseño a corte V 30.83 30.83 61.66 Ton 61660 Vc 7 .60 Ton 0.85 * 180 * 33 V adm 0 .53 210 7 .70 Ton
0 4 , 0
d
Vc V adm ok 0,33
6
4. Diseño a flexión sentido X-X Mf 30.83 30.83 30.83 * 0.33 Mf 30.52 Ton m b 285 cm d 33 cm f' c 210 kg/cm 2
0 4 , 0
2
As 4200 kg/cm ρ 0.0043 ρMAX OK As b * d * ρ As 285 * 33 * 0.0043 As 40.44 cm 2 5.
3 3 , 0
1 d
Diseño a corte sentido X – X
V 30.83 30.83 30.83 92.49 Ton 92490 Vc 11.57 Ton 0.85 * 285 * 33 V adm 0 .53 210 7 .70 Ton
d
Vc V adm Cambiar peralte de zapata 7.70
92490 0 .85 * 285 * d
d 49.58 cm 50 cm
92490 7 .64 Ton 0.85 * 285 * 50 V adm 0 .53 210 7 .70 Ton Vc
Vc V adm OK d 0 5 , 0
d
0,50 0,40 0,50
0 1 , 0
x
7 0 , 0
x CORTE X -X
VISTA EN PLANTA 7
