018151_Cap3 Diseño de Pilotes en AMSS El Salvador

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ESTUDIO GEOTECNICO Y DISEÑO DE PILOTES DE CONCRET0

CAPITULO III

32

CAPITULO III: DISEÑO DE PILOTES DE CONCRETO APLICADOS EN EL AMSS, SAN

MIGUEL Y LA UNION.

3.1 INTRODUCCIÓN

La secuencia lógica que permite obtener la calidad requerida en forma eficiente

para construir pilotes de concreto, tanto en tiempo como en economía, es

aquella que se lleva a cabo ordenada y oportunamente sin eliminar ninguna de

las siguientes actividades:

3.2 ESTUDIOS GEOTÉCNICOS

La exploración del subsuelo en el que se pretende construir una estructura

debe realizarse antes de continuar con el desarrollo del proyecto, ya que de los

resultados obtenidos y la interpretación de las características y

comportamiento del suelo, dependerán las decisiones que se tomen para la

realización del diseño geotécnico y estructural, así como para la determinación del procedimiento constructivo. Un estudio geotécnico deficiente provocará

que las actividades siguientes no se desarrollen adecuadamente, generando

modificaciones durante la construcción, las cuales estarán en función de la

inexactitud de la información obtenida.

3.2.1Objetivos y etapas de la exploración geotécnica

3.2.1.1Objetivos

El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre

las condiciones estratigráficas del sitio en estudio, las condiciones de presión

del agua del subsuelo y las propiedades mecánicas de los suelos (resistencia,




CAPITULO III

33

compresibilidad y permeabilidad), a fin de facilitar el diseño racional de la

cimentación de estructuras y la selección del método constructivo adecuado

para su ejecución (Ver esquema 3.1).

Para asegurar que se alcanzarán los objetivos de la exploración geotécnica, los

trabajos de campo los supervisará un ingeniero especialista en suelos y su

realización estará a cargo de una brigada de trabajadores entrenados en los

trabajos de perforación, muestreo y ejecución de pruebas de campo.




CAPITULO III

34

3.2.1.2 Etapas de la exploración geotécnica

El programa de exploración geotécnica del sitio donde se construirá una estructura consta de tres etapas:

• Investigación preliminar

• Recopilación de la información disponible

• Investigación de detalle

3.2.2 Investigación

Preliminar

3.2.2.1 Objetivos

El objetivo de esta etapa de exploración es el recopilar la información

geotécnica que exista de un sitio, para realizar una interpretación preliminar de

los problemas que podrían presentarse en la cimentación de una estructura de

características y requerimientos conocidos.

Tipos de suelos y sus características en el Área Metropolitana de San

Salvador (AMSS), San Miguel y La Unión.

El Área Metropolitana de San Salvador, está ubicada dentro del graben que

atraviesa la República en dirección O – NO y en las faldas orientales del volcán

de San Salvador.

Extendiéndose sobre una superficie relativamente plana, erosionada entre 650

y 850 msnm. La parte Este presenta una superficie plana, cortada por muchos

surcos erosivos y ríos, que originan fuertes y profundos taludes en los cauces.

En el Sur esta bordeada por la montaña costera (Altura hasta de 1100 msnm) y

el Cerro de San Jacinto (1154 msnm) hacia el Oeste el Volcán de San Salvador




CAPITULO III

35

(1967 msnm), en el Este por el Lago de Ilopango (450 msnm), y al Norte por el

Cerro de Mariona (798 msnm)

Las diferencias de altura son relativamente altas, entre 1,967 msnm para el

Picacho y el lecho de valle del Río Acelhuate, cerca de 400 msnm. Estos son los

extremos, pero la mayoría del área poblada está ubicada 500 y 800 msnm que

es un nivel común de la depresión salvadoreña y sus planicies.

El Área Metropolitana de San Salvador está constituida básicamente de cenizas

volcánicas, productos piroplásticos depositados de erupciones sucesivas

violentas de los volcanes de Ilopango y Boquerón. En estos depósitos predominan la pómez, que es un silicato de aluminio y hierro generalmente

acido, de reducida densidad como espuma solidificada cuyos huecos y tubos

intercomunicados de variedad fibrosa se originaron debido al gran

desprendimiento de gases en su formación. La forma de los granos de suelo

predominante, es equidimensional y su textura es rugosa, la distribución

granulométrica varia, pero básicamente se puede clasificar como un limo

arenoso (ML) o una arena limosa (SM); y se encuentran mayormente en la zona

central de San Salvador. Dentro de las características de estos suelos tenemos las siguientes: resistencia en estado seco desde muy pequeña hasta regular,

bajo el limite liquido y alto índice de plasticidad, entre regular y pobre para

fundaciones, malo para el desgaste aun con tratamiento bituminoso, casi nada

de encogimiento (elasticidad), bastante fácil de compactar con equipo; tiene un

peso volumétrico aproximado a 100 y la relación de vacios es más o menos 0.70

y el California Bearing Rattio (C.B.R) oscila entre 6 a 25.

“Para San Salvador corresponden en su mayoría los siguientes tipos de suelos: arena limosa, limos arenosos, limos arcillosos y suelos altamente contaminados

de materia orgánica.




CAPITULO III

36

No obstante, los suelos de características friccionantes predominantes en el

área son desde el punto de vista petrológicos, cenizas volcánicas de edad

reciente producto del marcado volcanismo explosivo del área.

En cuanto a los suelos arcillosos se han formado como consecuencias del

arrastre de las zonas altas del volcán de San Salvador donde la meteorización es

mayor como producto de la condición climática”8.

“Los departamentos de San Miguel y La Unión, están ubicados en el oriente del

país. Según los mapas geológicos de El Salvador, al Oeste de la ciudad de San

Miguel, esta conformada por rocas del tipo volcánico, piroclásticas, tobas fundidas y no fundidas, en la zona Este de la ciudad se encuentra conformada

por sedimentos recientes, como aluviales, pie de monte y fluviales. En el Área

Metropolitana de San Miguel, predomina el material arcilloso combinado con

limos, pómez y arenas a profundidades variables”9.

3.2.2.2 Recopilación de la información disponible

En El Salvador existen las siguientes instituciones donde puede encontrarse

información sobre las condiciones geotécnicas del suelo: Servicio Nacional de

Estudios Territoriales (SNET), Centro Nacional de Registros (CNR), Ministerio de

Agricultura y Ganadería (MAG). Y para el AMSS La Oficina de Planificación para

el Área Metropolitana de San Salvador (OPAMSS)

8 Fuente: Campos Mauricio Arturo”Estudio de Clasificación Preliminar del suelo de la republica de El Salvador.

Tesis. Universidad de El Salvador, 1959.

9 Fuente: Mapa Geológico de El Salvador.




CAPITULO III

37

3.2.2.3 Interpretación de fotografías aéreas

La interpretación geológica de las fotografías aéreas de un sitio, realizada por un ingeniero geólogo capacitado para ello, permite identificar de manera

preliminar las características geológicas del sitio, tales como fallas, fracturas y

los fenómenos geodinámicos relacionados con zonas de taludes inestables y

zonas erosionables. Con respecto a los suelos, se pueden identificar las

características probables de los suelos superficiales e inferir en las del subsuelo

así como definir posibles bancos de préstamo.

3.2.2.4 Recorrido de campo

El recorrido de campo lo debe realizar un ingeniero especialista en geotecnia,

acompañado de un ingeniero geólogo; los objetivos serán:

♦ Comprobar la interpretación foto geológica antes descrita, además de

identificar y clasificar los suelos superficiales.

♦ Visitar las estructuras construidas en la zona e indagar sobre su

comportamiento.

♦ Obtener información adicional que permita programar la investigación de

detalle.

♦ Topografía general del sitio.

♦ Estratificación del suelo, observada en los cortes profundos: carreteras, vías

férreas, etc.

♦ Tipo de vegetación del sitio, indica la naturaleza del suelo.

♦ Altura de las aguas máximas, especialmente en el caso de puentes y bóvedas.

♦ Nivel de agua subterránea (observación en pozos próximos al lugar).

♦ Tipo de construcción en la vecindad (agrietamientos en paredes, tipo de

cimentación, etc.)




CAPITULO III

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3.2.3 Investigación Geotécnica de Detalle

3.2.3.1 Programa

El ingeniero especialista en geotecnia deberá formular el programa de la

investigación de detalle, para lo cual deberá considerar la aplicación de las

técnicas que se mencionan más adelante y fundamentar su propuesta en la

información de la investigación preliminar. Debe además tomar muy en cuenta

que tratándose de cimentaciones con pilotes, las propiedades de los suelos se

modifican en la vecindad del elemento, aunque se trate de un procedimiento

constructivo de no‐desplazamiento, como el de colado en el lugar, y que en el caso de pilotes que desplazan el volumen de suelo que ocupan, se induce

mayor alteración y cambios estructurales al suelo vecino aún a varios diámetros

de distancia.

3.2.3.2 Levantamiento geológico

Excepcionalmente se realiza este tipo de levantamiento, ya que usualmente la

geología de la región donde se construirá la estructura ha sido estudiada

anteriormente o se considera que el recorrido de campo en la etapa de

investigación preliminar proporciona la información geológica necesaria y

suficiente para el diseño de la cimentación (profunda) de una estructura.

En caso de que se trate de la cimentación de estructuras muy importantes o de

desarrollos industriales localizados en áreas poco estudiadas, se justifica realizar

el levantamiento geológico de la zona.




CAPITULO III

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3.2.3.3 Exploración geofísica

Los métodos de exploración geofísica aplicables en geotecnia se basan en la medición de la variación de la velocidad de propagación de ondas sísmicas o de

la resistividad eléctrica (poco confiable) de los suelos, y mediante su

interpretación y correlaciones se deducen las características estratigráficas,

posición del nivel freático, posibles tipos y propiedades de suelos y rocas. Estos

métodos se utilizan para obtener información preliminar del subsuelo, para

complementar la información geológica y reducir el número de sondeos.

En nuestro país, el uso más generalizado en la exploración geotécnica es el método de resistividad eléctrica y el arreglo más común es el de Wenner el

cual consiste en utilizar cuatro electrodos hincados en el suelo y espaciados

uniformemente a lo largo de una línea recta. Los dos electrodos exteriores se

usan para enviar una corriente eléctrica I (generalmente una corriente directa

con electrodos de potencial no polarizantes) al terreno. La corriente eléctrica

varía entre 50 y 100 miliamperios. La caída de voltaje, V, se mide entre los dos

electrodos interiores.

Método de cross‐hole

El principio de este procedimiento se ilustra en la figura 3.1c10 que muestra dos

agujeros perforados en el terreno a una distancia L entre sí. Se genera un

impulso vertical en el fondo de un barreno por medio de una barra de impulso.

Las ondas cortantes así generadas se registran por medio de transductor

verticalmente sensible.

La tabla 3.1 muestra los diferentes métodos que conforman la exploración

geofísica.

10 Fuente: Gonzáles de Vallejo, Luís I. Ingeniería Geológica, 2002.




CAPITULO III

40

Tabla 3.1 Métodos de exploración geofísica11

Método Descripción Resultados Esperados

Refracción

sísmica total

Consiste en determinar el tiempo de arribo de las ondas longitudinales sísmicas, generadas por

una pequeña explosión o impacto, a geófonos

captadores que envían su señal a un sismógrafo

receptor; con esta información se calcula la

velocidad de propagación de las ondas.

‐Interpretar la estratigrafía del sitio‐Clasificar los suelos y rocas

‐Estimar el módulo elástico dinámico del

medio

Nota:

La interpretación de esta prueba siempre

debe correlacionarse con la información

de sondeos convencionales con extracción

de muestras, porque tiene la limitante de

no detectar la presencia de estratos

blandos que subyacen a otros duros,

debido a las condiciones de refracción que se desarrollan.

Resistividad

eléctrica

Consiste en determinar la variación con la

profundidad de las resistividades aparentes de

un medio en que se ha inducido un campo

eléctrico.

El equipo consiste en una fuente de poder,

voltímetro, amperímetro y cuatro electrodos.

Ver figura 3.1a

‐Definir la estratigrafía.

‐Por correlación, clasificar los suelos y

rocas del sitio.

‐Definir la posición del nivel freático.

Nota:

La precisión de este método para predecir

la estratigrafía de un sitio es

generalmente menor que la de refracción

sísmica y por ello se utiliza menos, sin

embargo es más confiable para determinar la posición del nivel freático.

Radar

Este método esta basado en la propagación de impulsos de ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia (100 a 1000MHZ) hacia el interior del suelo: estas hondas son reflejadas por anomalías del subsuelo (irregularidades, interfaces o discontinuidades) a diferentes profundidades que después se captan por medio de una antena en la superficie del suelo.

El sistema de monitoreo permite conocer la profundidad de la anomalía. La profundidad máxima de exploración no sobrepasa los 30 mt (98ft).

Cross Hole

Consiste en determinar la velocidad de las

ondas de cortante creadas como resultado de

un impacto a un estrato del suelo dado. Ver

figura 3.1b

Obtener los valores del modulo de

cortante para el diseño de cimentaciones

que soportan maquinaria vibratoria y

aspectos similares.

11 Fuente: Manual de Cimentaciones Profundas, 2001.




CAPITULO III

41

La tabla 3.2 muestra las diferentes resistividades de acuerdo al material con que

está compuesto el suelo.

Figura3.1a: Medidas de las

resistividades del suelo.

Figura 3.1b: Velocidades de

propagación de ondas P y S en un ensayo de cross‐hole

Figura 3.1c: Método de sondeo sísmico cross‐hole




CAPITULO III

42

Tabla 3.2: Valores representativos de la resistividad12

Material Resistividad (ohm‐m)

Arenas 500‐1500 Arcillas, limo saturado 0‐100

Arena arcillosa 200‐500

Grava 1500‐4000

Roca intemperizada 1500‐2500

Roca sana >5000

3.2.3.4 Exploración, muestreo y pruebas de campo

El planeamiento del trabajo de exploración tiene como objetivo determinar las

condiciones del suelo o roca en la cual se va a cimentar una estructura; entre

ellas tenemos: profundidad, espesor, extensión de cada uno de los estratos;

profundidad de la roca y del agua subterránea así como la resistencia y

compresibilidad.

Un programa cuidadosamente planeado y llevado a cabo, así como la correcta

interpretación de los resultados, será un factor determinante para el éxito de

una obra de ingeniería.

Entre los aspectos a considerar dentro del trabajo de exploración es el

determinar el espaciamiento entre los sondeos, de tal manera que se pueda

obtener la información anteriormente descrita. Al iniciar la investigación

exploratoria, es imposible determinar el espaciamiento y profundidades de los

estratos no varían entre los sondeos, ya que éste no depende sólo del tipo de

estructura, sino también de la uniformidad y regularidad del depósito del suelo,

por ello se deberá comenzar con un espaciamiento estimado, el cual aumentará si se necesita datos adicionales o disminuirá si los espesores son demasiado en

todos los sondeos. El espaciamiento debe ser menor en áreas que serán

12 Fuente: Braja Das, Principios de Ingeniería de cimentaciones, 1942




CAPITULO III

43

sometidas a cargas pesadas y mayor en las áreas menos críticas. A continuación

se detalla en la tabla 3.3 los espaciamientos entre sondeos que se utilizan a

menudo en el planeamiento de trabajos de sondeos.

Tabla 3.3 Espaciamiento de los sondeos13

Estructura u obra Espaciamiento (mt)

Carretera (investigación de la sub rasante) 300 – 600

Excavación para préstamo 30 – 120

Edificio industrial de un piso 30 – 90

Edificio industrial de dos pisos 30 – 60

Edificio de varios pisos 15 – 30

Otro aspecto importante a considerar es la profundidad de los sondeos. El

objetivo principal es determinar un estrato suficientemente resistente que no

permita que la estructura experimente asentamientos diferenciales excesivos

que puedan dañarla ni a la cimentación misma. Para determinar dicha

profundidad, se cuenta con una relación hecha por el Instituto Geotécnico de

Bélgica, que indica la profundidad del sondeo de acuerdo al tipo de estructura.

Estos se describen en la tabla 3.4.Teniendo claro los criterios a tomar para los

sondeos en campo, es necesario determinar qué método utilizar para lograr

obtener la información requerida.

Tabla 3.4: Profundidades de los sondeos14

Ancho del edificio (mt)

Número de pisos / profundidades de los sondeos (mt)

1 2 4 8 16 30 3.5 6.0 10.0 16.0 24.0

60 4.0 6.5 12.5 21.0 33.0

120 4.0 7.0 13.5 26.0 44.0

13 Fuente: Sowers , Georje B Y Sowers Georje F, Introducción a la mecánica de suelos y cimentaciones,1972

14 Fuente: Braja Das, Principios de Ingeniería de Cimentaciones, 1990.




CAPITULO III

44

Para realizar estos sondeos, se cuenta con los siguientes mecanismos de

exploración:

Penetrómetros.

Son conos o tubos de acero que se hincan a presión (estáticos) o con el impacto

de una masa (dinámicos) y permiten definir indirectamente la estratigrafía del

sitio, la variación de la compacidad relativa y la resistencia al corte (drenada) de

las arenas con la profundidad, así como la resistencia al corte no drenada de las

arcillas. Con el Penetrómetro estándar se recuperan, además, muestras

alteradas que permiten definir confiablemente la estratigrafía. Cabe aclarar que

la resistencia al corte drenado de las arenas depende de la permeabilidad de

éstas, así como de sus condiciones de frontera para el flujo de agua; aunque

esto ciertamente es cuestionable cuando las arenas están contaminadas con

limos y se trata de ensayos de penetración dinámica.

En la exploración de un sitio los Penetrómetros se emplean de acuerdo con tres

criterios de aplicación:

• Como instrumento de exploración para definir la estratigrafía y facilitar con

ello la selección de los muestreadores de suelo que deberán emplearse.

• Para disminuir el costo de realización de sondeos complementarios para

cubrir un área grande.

• Como técnica única de exploración, en proyectos de bajo costo que no

puedan justificar sondeos de muestreo.

A continuación se detallan los ensayos de penetración de mayor utilidad en el

campo de la geotecnia.




CAPITULO III

45

Penetrómetro Estándar (SPT).

El Penetrómetro Estándar es un tubo de dimensiones normalizadas que se hinca a percusión. Consiste en un tubo de pared gruesa partido longitudinalmente,

con una zapata de acero endurecido y una cabeza que lo une al extremo

inferior de la columna de barras de perforación con que se hinca; la cabeza

tiene un conducto para la salida de azolves a través de una válvula esférica o

una válvula de varilla. Opcionalmente se utiliza una trampa de paso para

retener las muestras (ASTM D‐1586).

El equipo auxiliar para el hincado consiste en una masa golpeadora de acero de 64kg con una guía de caída libre de 75cm y barras de perforación AW ó BW

(4.44 y 5.40cm de diámetro; 6.53 y 6.23 Kg/m de peso, respectivamente) con un

yunque de golpeo incorporado a la columna de barras. La masa golpeadora se

levanta con un malacate de fricción (cabeza de gato). Ver figura 3.2a.

Figura 3.2a: Equipo de penetración estándar (SPT)




CAPITULO III

46

Este penetrómetro se hinca 45cm en el fondo de una perforación de 7.5cm de

diámetro mínimo, con los impactos de la masa de 64Kg se cuenta el número de

golpes para hincar cada tramo de 15cm. Se define como resistencia a la

penetración estándar, al número N de golpes necesarios para introducir el

penetrómetro los dos últimos tramos de 15cm.; cuando la dureza del suelo no

permite introducir más el tubo partido o cuchara partida, N se define por

extrapolación.

Cabe mencionar, que las presiones generadas por el suelo a una profundidad

determinada, influyen en el número de golpes obtenidos a dicha altura. Por lo

tanto, es necesario realizar la corrección respectiva de N. Entre las ecuaciones

de corrección tenemos las siguientes:

(1) NSPT corregido = NSPT de campo x C n

Donde:

C n = 0.77 log10 (20/p);

p= γsuelo x profundidad de sondeo

(2) NSSPPTT corregido = 4NSSPPTT de campo / (3.25+ 0.5P);

Resultados Esperados.

• Definir la estratigrafía del sitio.

• Determinar por correlación la compacidad relativa de suelos granulares y la

consistencia de suelos cohesivos.

• Obtener muestras alteradas para determinar en el laboratorio sus

propiedades índices.

A través del número de golpes NSPT para cada tramo de 30cm y basándose en la

clasificación de campo de suelos, con base en el Sistema Unificado de

Clasificación SUCS, se define la estratigrafía del sitio explorado. Ver figura 3.2b




CAPITULO III

47

EMPRESA: Figura 3.2 b: Registro de sondeo en suelos

PROYECTO:

Sondeo Nº

SITUACION: COORDENADAS: X:

Y:

Z:

FECHA: PROFUNDIDAD: HOJA:

P R O F U N D I D A D .

( m . )

L O N G I T U D .

T R A M O ( m . )

N I V E L F R I A T I C O

C O L U M N A

M U E S T R A

N º D E G O L P E S

S . P . T

/ M . I

LIMITE DE

ATTERBERRG

H U M E D A D %

C L A S I F I C .

U . S . C . S

LL

(%)

IP

(%)

0.25 Suelo vegetal.

0.90

0.65 Grava arenosa, bien graduada, de cantos

angulares de color negruzco.

1.80 0.90 Grava arenosa similar a la anterior con pasadas

limo arenosas, más abundantes según se

produzca.

2.00 0.20 Limo con algo de arena, contiene cantos

dispersos, de color blanquecino. Medianamente

denso y duro en cuanto a resistencia.

ML 5‐7‐8‐9 33.0 15.9 16.8 CL

2.60 0.60

SPT 5‐8‐9‐12

3.20 0.60

6.45

3.25 Limo arcillo‐arenoso, con cantos de 2 a 3cm de

tamaño, angulosos, color marrón oscuro. El

material se encuentra suelto y con módulos de

material cohesivo.

Limo arenoso con cantos dispersos, subred

ondeados, pueden alcanzar tamaño máximo de 5 cm. El material se encuentra suelto y presenta

un color marrón blanquecino.

7.0

7.60

1.15

Limo arcilloso marrón oscuro, con gran

contenido en materia orgánica. Presenta cantos

de grava de 0.5 a 1 cm. De tamaño.

MI 3‐4‐5‐8 24.8 8.5 16.2 ML

7.30

SPT

11.0 3.40 Limo arenoso, suelto, de color marrón claro.

Limo con algo de arena, más cohesivo de color

marrón claro. Firme (qu=>2‐2.5Kg/cm2).

11.5 0.50

Margas arcillosas con algún canto dispenso, de

color azulado. Duras (qu=4.5Kg/cm2).

MI 15‐20‐

30‐40

30 20 8.5 CL

12.0 SPT 25‐50‐R

OBSERVACIONES:

MI: muestra inalterada MNC: muestra no conseguida

MA: muestra alterada TP: testigo parafina

SPT: ensayo de penetración estándar N.F: nivel freático.




CAPITULO III

48

Basado en el número de golpes necesarios para penetrar el suelo en un tramo

de 15cm, puede correlacionarse a través de la tabla (3.5) la compacidad,

considerando su validez sólo para arenas localizadas arriba del nivel freático.

Para considerar la profundidad a la que se realiza la prueba y el nivel freático, se

utiliza la correlación de la figura 3.2c.

Tabla 3.5 Correlación numero de golpes vrs Compacidad relativa (Terzaghi and Peck)

Numero golpes Capacidad

0‐4 Muy suelta

4‐10 Suelta10‐30 Media

30‐50 Compacta

>50 Muy compacta




CAPITULO III

49

Así mismo puede correlacionarse N con el ángulo de fricción interna por medio

del nomograma mostrado en la figura 3.2d.

1. Relación para arenas medianas a gruesas de grano anguloso ha redondeado.

2. Relación para arenas finas y arenas limosas.

Figura 3.2 c: Correlación de número de golpes vrs. Esfuerzo vertical efectivo

Figura 3.2.d: Correlación de

número de golpes vrs. Angulo

de fricción interna ф. Terzaghi

and Peck




CAPITULO III

50

Cono Holandés tipo Eléctrico (CPT)

Para hincarse a presión (estático) tiene incorporadas celdas instrumentadas con

deformímetros eléctricos que permiten la medición simultánea de las fuerzas

necesarias para el hincado de la punta cónica de 60º, ángulo de ataque y 3.6cm

de diámetro y de funda cilíndrica de fricción también de 3.6cm de diámetro y

13.25cm de longitud. Ver figura 3.3.a.

Figura 3.3 a: Corte transversal del penetrometro eléctrico.




CAPITULO III

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Para hincarse de forma dinámica se utiliza un mecanismo hidráulico que aplica

2.5, 10 ó 20T de fuerza axial. La velocidad de hincado es de 2cm/s. La interpretación de este método se realiza a través de la gráfica de la resistencia de punta y fricción de este elemento, que actualmente se procesa por medio de computadoras.

En la figura 3.3.b puede observarse cómo se registran los datos del sondeo, a través del registro de la profundidad con sus respectivas resistencias a la fricción (fs) y de punta (qc).

Resultados esperados.

♦ Clasificar los suelos a través de la correlación empírica, sólo si se cuenta con

la medición de la resistencia de punta y fricción fs y qc.

♦ Los parámetros de resistencia al corte.

Figura 3.3 b: Gráfica de

penetración estática




CAPITULO III

52

Esta clasificación puede realizarse a través de correlaciones basadas en las

gráficas que se muestran en la figura 3.3.c y 3.3.d.

Figura 3.3 c: Clasificación de los suelos con penetrometro estático

Figura 3.3.d: Clasificación estimativa de los suelos con penetrómetro.




CAPITULO III

53

Los parámetros de resistencia al corte. Estos parámetros pueden encontrarse por medio de nomogramas y ecuaciones

iterativas que se muestran en la figura 3.3.e.




CAPITULO III

54

3.2.3.5 Exploración Geotécnica In Situ

Piezometría: (Método Piezocono):

Es un dispositivo que permite medir la presión de poro del agua intersticial del

suelo a diferentes profundidades en un sitio determinado.

Con él se conoce la distribución de presiones en el sitio explorado.

Equipo:

• Transductor electrónico calibrado, colocado en el interior de una camisa

metálica Ø2” con punta cónica.

• Dos piedras porosas diametralmente opuestas.

• Cámara con glicerina desairada.

Figura 3.3 e: Parámetros de resistencias al corte.




CAPITULO III

55

Procedimiento de Ejecución

1. Hincado a velocidad constante de 2.5 m/s hasta una profundidad

determinada.

2. Se detiene el hincado y se lee presión de poro, midiendo el tiempo

transcurrido después de detener el hincado.

3. Repetir este paso hasta alcanzar presión de equilibrio del suelo, es decir

hasta que las lecturas de presión se mantengan constantes.

4. En cada medición se grafica curva de disipación de presión de poro vrs.

tiempo transcurrido de lectura. 5. Se gráfica los resultados del sondeo relacionando presión de poro con la

profundidad.

Cono Sísmico Es un dispositivo mediante el cual pueden medirse en campo las velocidades de

las ondas de corte y de compresión en el suelo a diferentes profundidades. Es

muy útil para determinar las propiedades dinámicas de suelos blandos y arenas

sueltas.

Equipos

• Péndulos unidireccionales

• Camisa metálica con punta cónica de Ø5cm

• Sistema de amplificación

• Tarjeta de adquisición de datos conectada a computadora.




CAPITULO III

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Procedimiento de Ejecución.

Consiste en generar ondas de cortante en la superficie golpeando los extremos

de un tablón de madera tal que se le coloca un geófono testigo que permite

determinar el instante en que se provocan los impactos. Considerando las

trayectorias de propagación que siguen las ondas de corte, debe cuidarse que el

sondeo de cono se ubique perpendicularmente a la dirección del impacto a una

distancia entre 1 y 3m. Las ondas de cortante así generadas viajan a través de la

masa hasta ser detectadas por el cono sísmico a una cierta profundidad. El

sistema de adquisición de datos permite monitorear simultáneamente al geófono testigo y a los péndulos unidireccionales del cono: consecuentemente,

es posible determinar el tiempo que las ondas de corte tardan en viajar desde la

superficie hasta el cono. Para maximizar la señal que recibe el cono, éste debe

orientarse de manera que el plano de oscilación de uno de los péndulos sea

paralelo a la dirección del impacto. Con los datos del sondeo se construye el

perfil de la curva dromocrónica, que es una gráfica de tiempos de arribo de la

onda de corte para cada profundidad de prueba, haciendo una corrección del

tiempo para tomar en cuenta la trayectoria inclinada respecto del punto de impacto; la pendiente entre dos puntos de medición consecutivos es la

velocidad de la onda de corte. A partir de la densidad del suelo se obtiene el

módulo de rigidez al corte máximo Gmáx con la siguiente ecuación:

Donde: ρ: densidad del suelo Vs: velocidad de onda de corte m/s2).

Así mismo se calcula la velocidad de onda a través de la siguiente ecuación:

Donde: To: período natural del sitio (seg.) H: profundidad total de exploración (m)

To = 4h/Vs

G=ρVs2




CAPITULO III

57

Procedimiento de Muestreo i) Muestreo Alterado

Consiste en la recuperación de muestras en las que el acomodo estructural de

sus partículas se ha modificada en forma significativa debido al proceso de

extracción. Estas muestras se utilizan en el laboratorio para identificar el suelo,

conocer algunas propiedades índices, definir la estratigrafía y preparar

especímenes compactados o reconstituidos.

• Técnicas

‐ Manuales, excavación de pozos a cielo abierto, pozos someros, cortes y zanjas.

‐ Con el penetrómetro estándar y equipo de perforación, sobre todo cuando se requieren a mayor profundidad.


El Método manual consiste en recuperar a mano muestras alteradas que se

conservan en un recipiente hermético que puede ser una bolsa de polietileno o

un frasco hermético de vidrio convenientemente identificado. Las muestras

pueden ser de 0.5 a 20Kg, dependiendo de si se emplearán sólo para

identificación y determinación de propiedades índice, o si se usarán también

para realizar pruebas de compactación. Las muestras se obtienen realizando

una perforación con herramientas manuales como pala posteadora y barrenas

helicoidales, y con pozos a cielo abierto, zanjas y cortes excavados con picos y

palas o maquinaria de excavación y haciendo un muestreo con espátulas y

cinceles. Las muestras pueden ser representativas de una sola profundidad o

integrales, mezclándolas de todo el pozo.




CAPITULO III

58

ii) Muestreo Inalterado

Consiste en obtener especímenes de suelo que conservan el acomodo

estructural de sus partículas sólidas; sin embargo, es posible evitar la relajación

de esfuerzos y sus consecuencias en el comportamiento mecánico, que pueden

ser ligeras o importante dependiendo del cuidado y la técnica con que se

obtengan.

• Técnica

‐Pozo a Cielo Abierto (PCA)


Esta técnica puede ejecutarse mediante excavación manual o excavación con

maquina.

Permite observar las características estratigráficas del suelo y rescatar muestras

inalteradas de los estratos principales. Este procedimiento es recomendable

para suelos secos y duros. Pueden excavarse de dos formas: sección cuadrada o

circular.

La primera se extrae de pozos a cielo abierto, zanjas y cortes. Consiste en labrar

in situ cubos de suelo de 20 a 30cm de lado que se protegen con manta de cielo

impermeabilizada. Para obtenerlas se empieza por eliminar el suelo alterado y

después con espátula se labran las paredes, que se cubren con polietileno

delgado conforme se termina cada una; una vez terminados los lados se cubren

con tela de manta de cielo que se impregna con una mezcla líquida de parafina,

a continuación se coloca la caja de protección y se corta la base del cubo, que

después se cubre con manta.




CAPITULO III

59

La segunda, es conveniente cuando se estabilizan las paredes de la excavación

con lámina corrugada o ferrocemento. Consiste en colocar anillos de malla electrosoldada separados por lo menos 2cm de la pared de excavación. La malla

se fija con anclas cortas de varilla corrugada hincadas a percusión y

posteriormente se aplica manualmente el mortero con un espesor mínimo de

4cm. Los anillos generalmente empleados son de 1m de altura; si el terreno es

estable, esta altura puede incrementarse.

• Técnica

‐Tubo de Pared Delgada


Es utilizado para el muestreo inalterado de suelos blandos a semiduros

localizados arriba y abajo del nivel freático; tiene de 7.5 a 10cm de diámetro y

se hinca presión.

El tubo se una a la cabeza con tornillos Allen o mediante cuerda repujada. La

cabeza tiene cuatro drenes laterales para la salida del fluido de perforación y de

los azolves durante el hincado. La válvula de bola impide que la muestra se vea

sujeta a presiones hidrodinámicas durante la extracción del muestreador. El

muestreador se hinca con un solo movimiento una longitud igual a la del tubo

menos 15cm, para dejar espacio a los azolves; la velocidad de hincado debe ser

entre 15 y 30cm/s.

Después se deja en reposo 30seg para permitir que la muestra se expanda y se

adhiera al muestreador; a continuación se gira para cortar la base y

posteriormente se extrae a la superficie y se mide la longitud de muestra

recuperada. Un criterio para juzgar en el campo la calidad del muestreo se




CAPITULO III

60

indica en la tabla 3.6. En el laboratorio la calidad de las muestras se define

observando cortes longitudinales para identificar la alteración que pudieran mostrar lentes delgados de algún material o bien, observando el proceso de

secado lento de placas delgadas de suelo cortadas longitudinalmente.

Tabla 3.6: Recuperación de muestras15

Recuperación % Calidad

Rec = 100 Excelente

Rec = 80 Buena 50 < Rec < 80 Mala

Rec < 50 Inaceptable

3.2.4 Ensayes de Laboratorio

3.2.4.1 Introducción

El programa de estudios de laboratorio se establece para cumplir con dos

objetivos esenciales: clasificar cuidadosamente los suelos encontrados y

obtener sus parámetros de resistencia y deformabilidad para el diseño de la

cimentación; para alcanzar estos propósitos, se realizan las pruebas índice y

mecánicas enumeradas en la tabla 3.7

Las condiciones de prueba deben elegirse en cada caso particular tratando de

reproducir los estados de esfuerzo y patrones de drenaje que generará la estructura; la selección adecuada de las muestras, de acuerdo a tales

15 Fuente: Master en Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. CEDEX, Madrid 2002.




CAPITULO III

61

condiciones permitirá obtener parámetros de diseño representativos del

comportamiento del suelo. Esta selección podrá facilitarse si se dispone de la información obtenida de sondeos.

En nuestro país, los ensayos para obtener las propiedades mecánicas no se

utilizan con mucha frecuencia debido a los costos que representan, sin embargo

permiten obtener datos más reales que las encontradas por medio de

correlaciones con pruebas de penetración (de mayor uso SPT) y propiedades

índices, ya que éstas obligan a tomar factores más conservadores en la

determinación de la capacidad de carga de los suelos.

16 Fuente: Manual de Cimentaciones Profundas, Sociedad Mexicana de Mecanica de Suelos, 2001.

Tabla 3.7: Estudios de Laboratorio16

Propiedades índices

Granulometría Contenido de agua Límites de consistencia Densidad de sólidos Peso volumétrico

Propiedades mecánicas

Resistencia al esfuerzo cortante

• Compresión triaxial • Compresión no confinada

• Corte directo

• Torcómetro

Deformabilidad

• Compresibilidad

• Expansibilidad




CAPITULO III

62

3.3 DISEÑO GEOTÉCNICO DE PILOTES

3.3.1 Introducción

El análisis de una cimentación profunda se inicia con la selección de aquellos

elementos que sean compatibles con la estratigrafía y propiedades mecánicas

de los suelos o rocas del sitio, en términos generales, toda cimentación debe

diseñarse para satisfacer dos requisitos esenciales: seguridad adecuada contra

falla y funcionalidad de la estructura

El diseño geotécnico de una cimentación profunda comprende las siguientes etapas:

1. Investigación geotécnica. ( ver contenido 3.2)

2. Selección del elemento de cimentación y del equipo de construcción.

3. Determinación preliminar de la longitud y capacidad de carga del elemento.

4. Verificación de las etapas 2) y 3), con los datos obtenidos en pruebas de

carga.

3.3.2 Estimación de la longitud del pilote

Seleccionar el tipo de pilote por usar y estimar su longitud necesaria son tareas

bastantes difíciles que requieren buen criterio. Los pilotes se dividen en tres

categorías principales, dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de

transferencia de carga al suelo:

• Pilotes de punta

• Pilotes de fricción

• Pilotes de compactación




CAPITULO III

63

3.3.2.1 Pilotes de punta

Si los registros de perforación establecen la presencia de lechos de material

rocoso en un sitio a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan hasta

la superficie de la roca. (Ver figura 3.4a). En este caso, la capacidad última de

los pilotes depende por completo de la capacidad de carga del material

subyacente; entonces se denominan pilotes de punta. En la mayoría de estos

casos, la longitud del pilote puede establecerse con bastante precisión.

Q u

Roca Q p Q u ≈ Q p

Sin en vez de un lecho rocoso se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se prolongan unos

cuantos metros dentro del estrato duro. Véase figura 3.4b.

Figura 3.4 a: Pilote de punta




CAPITULO III

64

Q u

Los pilotes con pedestales se construyen sobre el lecho del estrato duro, y la

carga última del pilote se expresa como:

Donde:

Q p= Carga transferida por la punta del pilote

Q s= Carga transferida por la fricción superficial desarrollada en los lados del pilote (causada

por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote)

Si Q s es muy pequeña,

En este caso la longitud requerida de pilotes se estima con mucha precisión si

se dispone de los registros de exploración del subsuelo.

Figura 3.4 b: Pilote de punta prolongado en estrato resistente

Q u = Q p+Q s

Q s ≈ Q p




CAPITULO III

65

3.3.2.2 Pilotes de fricción

Cuando no se tiene un estrato de roca o material duro a una profundidad

razonable en un sitio, los pilotes de punta resultan muy largos y

antieconómicos. Para este tipo de condición en el subsuelo, los pilotes se

hincan en el material más blando a profundidades especificas (véase figura

3.4c)

La carga última de los pilotes se expresa por la ecuación:

Sin embargo el valor de Q p es relativamente pequeño, entonces:

Q u

Q p

Q u ≈ Q s

Figura 3.4 c: Pilote de fricción

Q u = Q p+Q s

Q u ≈ Q s




CAPITULO III

66

Estos se denominan pilotes de fricción porque la mayor parte de la resistencia

se deriva de la fricción superficial. Sin embargo el término pilote de fricción no es muy apropiado, aunque se usan con frecuencia en la literatura técnica; en

suelos arcillosos, la resistencia a la carga aplicada es también generada por

adhesión.

La longitud de estos pilotes depende de la resistencia cortante del suelo, de la

carga aplicada y del tamaño del pilote. Para determinar las longitudes

necesarias de estos pilotes, un ingeniero requiere de un buen entendimiento de

la interacción del suelo‐pilote, de buen criterio y experiencia.

3.3.2.3 Pilotes de compactación

Bajo ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos granulares para lograr

una compactación apropiada del suelo cercano a la superficie del terreno, y se

denominan pilotes de compactación. Su longitud depende de factores como:

• La compacidad relativa del suelo antes de la compactación • La compacidad relativa deseada del suelo después de la compactación

• La profundidad requerida de compactación

Generalmente, estos pilotes son cortos; sin embargo, son necesarias algunas

pruebas de campo para determinar una longitud razonable.

3.3.3 Mecanismo de transferencia de carga

El mecanismo de carga de un pilote al suelo es complicado. Para, entenderlo

considere uno de longitud L, como se muestra en la figura 3.5a. La carga sobre

el pilote se incrementa gradualmente de cero a Q (z=0) en la superficie del

terreno. Parte de esta carga será resistido por la fricción lateral, Q 1,




CAPITULO III

67

desarrollada a lo largo del fuste y parte por el suelo debajo de la punta del

pilote, Q 2 ¿Cómo están relacionadas Q 1 y Q 2 con la carga total? Si se efectúan mediciones para obtener la carga Q (z) tomada por el fuste del pilote a cualquier

profundidad z, la naturaleza de la variación será como lo muestra la curva 1 de

la figura 3.5b

La resistencia por fricción por arena unitaria a cualquier profundidad z se

determina como:

Donde:

p= Perímetro de la sección transversal del pilote.

f (z) = ∆Q (z)/[ (p)(∆z) ]

Figura 3.5 a y b: Transferencia de carga en pilotes




CAPITULO III

68

La figura 3.4c muestra la variación de la función f (z) con la profundidad.

Si la carga Q en la superficie del terreno se incrementa gradualmente, la

resistencia máxima por fricción a lo largo del fuste del pilote será totalmente

movilizada cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sean

aproximadamente de 5 a 10 mm independientemente del tamaño y de su

longitud L. Sin embargo, la resistencia máxima de punta Q 2 =Q p no será

movilizada hasta que la punta del pilote se haya movido de 10 a 25% del

diámetro del pilote. (El límite inferior se aplica a pilotes hincados y el límite superior a pilotes perforados) bajo carga última (figura 3.5d y curva 2 en la

figura 3.5b), Q (z=0) =Q u. Entonces: Q 1 = Q s

Q 2 = Q p

Figura 3.5c: Variación de la f z con

la profundidad.

Figura 3.5d: Resistencia del

pilote.




CAPITULO III

69

La explicación anterior indica que Q s se desarrolla bajo un desplazamiento

mucho menor con el de la resistencia de punta Q p.

Bajo carga última, la superficie de falla en el suelo en la punta del pilote es

parecida a la mostrada en la figura 3.4e.

3.3.4 Ecuaciones para estimar la capacidad de un pilote

3.3.4.1 Capacidad de carga de la punta, Q p

La capacidad de carga última Q u de un pilote se expresa como:

Para cimentaciones superficiales se tiene la ecuación dada por Terzaghi para

calcular la capacidad última de carga:

Donde:

c’= cohesión del suelo γ = peso especifico del suelo D = ancho de la cimentación

qu =c’Nc*+ qNq* +γDNγ*

Figura 3.5e: Mecanismo de transferencia de carga en pilotes

Q u = Q p+Q s




CAPITULO III

70

Nc*, Nq*, Nγ* son los factores de capacidad de carga que influyen los factores

necesarios de forma y profundidad. Aunque para pilotes estos valores serán diferentes.

Como el ancho D de un pilote es relativamente pequeño, el término γDNγ* se

cancela del lado derecho de la ecuación entonces tenemos:

El término q fue sustituido por q’ para indicar un esfuerzo vertical efectivo. Por

lo tanto la carga de punta de pilote es:

Donde:

Ap = Área de la punta del pilote qp = Resistencia unitaria de punta

3.3.4.2 Resistencia por fricción, Q s

La resistencia por fricción superficial de un pilote se expresa como:

Donde:

p = Perímetro de la sección del pilote ∆L = Longitud incremental del pilote sobre la cual p y f se consideran constantes f = Resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad z

Correlaciones empíricas según Meyerhof propuso una manera sencilla para

determinar la resistencia por fricción a partir de los datos obtenidos en una

prueba de penetración estándar, expresada en la siguiente ecuación.

Q s =∑p∆Lf

qp =c’Nc*+ q’Nq*

Q p = Ap qp = Ap (c’Nc*+ q’Nq*)




CAPITULO III

71

Donde:

Q s= Resistencia por fricción N = Número de golpes, N, para penetrar 30 cm del estrato resistente N = Número de golpes, N, para penetrar 30 cm del estrato intermedio As= El perímetro del pilote L = Longitud del pilote

3.3.5 Métodos para estimar la carga por punta (Q p)

Método de Meyerhof

En base a observaciones de campo Meyerhof en 1976 sugirió que la resistencia

de punta ultima qp mediante la siguiente ecuación.

Para pilotes en arena, c’= 0

En arena

La variación de Nq* con el ángulo φ′ de fricción del suelo se muestra en la figura

3.6 sin embargo, Q p no debe exceder el valor limite Apql, es decir,

Q p = Ap q'Nq*≤Apql

La resistencia de punta límite es:

ql =0.50 pa Nq*tan φ′

Donde:

pa = presión atmosférica (100KN/M2 O 2000lb/pie2)

Q p =Apqp = AP q'Nq*

Qs = 0.02 N ASL (kg/cm2)




CAPITULO III

72

φ′ = ángulo efectivo de fricción del suelo del estrato de apoyo

Con base en observaciones de campo, Meyerhof (1976) también sugirió que la resistencia de punta ultima qp en un suelo granular homogéneo (L=Lb) puede

obtenerse a partir de numero de penetración estándar como.

ql = 0.40 pa (N1)60 (L/D) ≤ 4 pa (N1)60

Donde (N1)60 valor promedio corregido del número de penetración estándar

cerca de la punta del pilote (aproximadamente 10D arriba y 4D debajo de la

punta del pilote)

Angulo de fricción del suelo, φ’ (grados)

Método de Vesic

Vesic en 1977 propuso un método para estimar la capacidad de carga de punta

de un pilote con base en la teoría de expansión de cavidades. De acuerdo con

esta teoría, basada en parámetros de esfuerzo efectivo, se deduce la ecuación

propuesta Q p=Apqp= Ap(c'Nc*+σ̄'oNσ*)

Figura 3.6: Variación de los valores máximos

de Nq* con el ángulo φ’ de fricción del suelo




CAPITULO III

73

Método de Janbu (En arena)

Janbu en 1976 propuso calcular la carga por punta en pilotes mediante la

expresión descrita.

En arena

Los factores de capacidad de carga de Nc*Nq* se calculan suponiendo una

superficie de falla en el suelo en la punta del pilote similar a la mostrada en la

figura 3.7.

En la tabla 3.8 da la variación de Nc*y Nq* para η' = 60°, 75° y 90°

Tabla 3.8: Factores de capacidad de carga de Janbu17

= 60° ’ = 75° ’ = 90°

φ’0 Nc* Nq* Nc* Nq* Nc* Nq* 0 5.74 1.0 5.74 1.0 5.74 1.0

10 5.95 2.05 7.11 2.25 8.34 2.47

20 9.26 4.37 11.78 5.29 14.83 6.40

30 19.43 10.05 21.82 13.60 30.14 18.40

17 Fuente: Braja Das M., Principios de Ingeniería de Cimentaciones, 2006.

Q p=Ap(c'Nc*+q'Nq*)

Figura 3.7: Superficie de

falla en la punta del pilote




CAPITULO III

74

40 30.58 26.66 48.11 41.37 75.31 64.20

45 46.32 47.32 78.90 79.90 133.87 134.87

Método de Coyle y Castello

Coyle y Castello en 1981 analizaron 24 pruebas de carga en campo a gran escala

de pilotes hincados en arenas. Con los resultados obtenidos, sugirieron la

siguiente ecuación.

En arena

La figura 3.8 muestra la variación de Nq* con L/D y el ángulo de fricción del suelo Ф

’.

Q p= q'Nq*Ap

Figura 3.8: Variación de Nq*con L/D




CAPITULO III

75

3.3.6 Correlaciones para calcular Q p con resultados SPT y CPT

Existen varias correlaciones en la literatura técnica para calcular Qp con bases

en pruebas de penetración estándar y en resultados de pruebas de penetración

de cono conducidas en el campo. A continuación se detallan varias

correlaciones en la tabla 3.9

Tabla 3.9: Correlaciones con la resistencia a la penetración estándar18

Referencia Relación AplicabilidadBriaud y otros (1985) qp = 19.7pa (N60)0.36 Arena

Shioi y Fukui (1982) qp = 3pa Colado en lugar

qp = 0.2paN60 Pilote perforado, arena

qp = 0.15pa N60 Pilote perforado, arena gravosa

qp = 0.3paN60 Pilotes hincados, todos los suelos

La tabla 3.9 da la correlación de qp con el número N60 de penetración estándar.

Es importante observar que el valor N60 es la condición promedio cerca de la punta del pilote (es decir, 4D abajo Y 10D arriba de la punta del pilote)

Hay dos métodos principales para estimar de qp usando la resistencia qc de la

penetración de cono:

Método LCPC

Desarrollado por el Laboratoire Central des Ponts et Chaussees (Bustamante y

Gianeselli, 1982)

De acuerdo con el método LCPC Donde:


qp = qc(eq)kb




CAPITULO III

76

qc(eq)= Resistencia equivalente promedio del cono k

b= Factor empírico de capacidad de carga

La magnitud de qc(eq) se calcula de la siguiente manera:

• Considere la resistencia qc en la punta del cono dentro de un intervalo de 1.5 D debajo de la punta a 1.5D arriba de la punta del pilote.

• Calcule el promedio de qc[qc(prom)] dentro de la zona mostrada en la figura 3.9

• Elimine los valores qc que son mayores que 1.3 qc(prom) y los valores qc que son menores que 0.7 qc(prom)

• Calcule qc(eq) promediando los valores qc restantes.

Método holandés

De acuerdo con el método holandés (de Ruiter y Beringen, 1979), se considera

la variación de qc en el intérvalo de 4D por debajo de la punta del pilote a 8D

por arriba de la punta como se muestra en la figura 3.10.

Figura 3.9: Método LCPC




CAPITULO III

77

Luego se efectúan las siguientes operaciones:

• Promedie los valores qc en una distancia y D debajo de la punta del pilote.

Esta es la trayectoria a‐b‐c. sume los valores qc a lo largo de la trayectoria

descendente a‐b (o sea, la trayectoria real a) y la trayectoria ascendente b‐c

(o sea, la trayectoria mínima). Determine el valor qc1 = valor promedio de qc

para 0.7< y <4.

• Promedie los valores qc (qc2) entre la punta del pilote y 8D arriba de la punta

a lo largo de la trayectoria c‐d‐e‐f ‐g, usando la trayectoria mínima e

ignorando las depresiones puntuales menores.

Calcule:

Donde

Figura 3.10: Método holandés




CAPITULO III

78

pa = Presión atmosférica (≈ 100kN/m2)

3.3.7 Resistencia por fricción Qs en arena

Para estimar la resistencia por fricción se utiliza la ecuación

Donde la resistencia unitaria por fricción f en arenas, es difícil de estimar debido

a que depende de varios factores: 1. La naturaleza de la instalación del pilote.

2. La fricción unitaria superficial crece con la profundidad más o menos

linealmente hasta una profundidad determinada luego permanece

constante.

3. A profundidades similares, la fricción unitaria superficial en arena suelta es

mayor para un pilote de alto desplazamiento que para un pilote de bajo

desplazamiento.

4. A profundidades similares, los pilotes perforados o hincados parcialmente

con chorro de agua a gran presión tendrán una fricción unitaria superficial

menor en el caso de pilotes hincados.

La estimación de la resistencia por fricción superficial de pilotes en arcilla es casi

tan difícil como en arenas debido a la presencia de variables que no son

cuantificadas fácilmente. Aunque en la actualidad existen métodos que se

utilizan para obtener la resistencia unitaria por fricción de pilotes.

3.3.8 Capacidad de carga por punta de pilotes sobre roca

Q s =∑p∆Lf




CAPITULO III

79

En algunas ocasiones los pilotes se hincan hasta un estrato subyacente de roca.

En tales casos, el ingeniero debe evaluar la capacidad de carga de roca. La resistencia unitaria última de punta en roca (GOODMAN, 1980) es

aproximadamente.

Donde:

NФ=tan2 (45+Ф'/2)

qu= resistencia a compresión no confinada de la roca

Ф'=ángulo de fricción drenado

3.3.9 Pruebas de carga en pilotes

En la mayoría de los grandes proyectos, los pilotes deben someterse a un

número específico de pruebas de carga. La razón principal es la falta de

confiabilidad en los métodos de predicción. La capacidad de carga vertical y

lateral de un pilote puede probarse en el campo. En la figura 3.11a se muestra

un diagrama esquemático del arreglo de un ensayo de carga en pilotes para

probar la compresión axial en el campo

qp = qu(NФ+1)




CAPITULO III

80

En las figura 3.11b se muestra un diagrama carga carga‐asentamiento total

obtenido de una carga y descarga de campo. Para cualquier carga, Q, el

asentamiento neto del pilote se calcula como sigue:

Q = Q 1

Asentamiento neto, sneto(1) = st(1) – se(1).

Cuando Q = Q 2.

Figura 3.11a: Diagrama esquemático del arreglo de una prueba de carga de un pilote




CAPITULO III

81

Asentamiento neto, sneto(2) = st(2) – se(2).

Donde: Sneto= Asentamiento neto.

Se = Asentamiento elástico del pilote mismo. St = Asentamiento total.

Estos valores de Q se indican en una gráfica contra el asentamiento neto

correspondiente sneto, como se muestra en la figura 3.11c. La carga última del

pilote se determina con esta gráfica. El asentamiento del pilote crece con la

carga hasta cierto punto, mas allá del cual la curva‐asentamiento se vuelve

vertical. La carga correspondiente al punto en que la curva Q versus sneto se

vuelve vertical es la carga última, Qu, del pilote; esta se muestra en la curva 1

en la figura 3.11c. En muchos casos, la última etapa de la curva carga‐

asentamiento, es casi lineal, mostrando un grado amplio de asentamiento para un pequeño incremento de carga; como se muestra en la curva 2 de la figura. La

carga última, Q u, para tal caso se determina del punto de la curva Q vrs sneto

donde empieza esta porción lineal empinada.

Figura 3.11b: Carga vrs asentamiento total Figura 3.11c: Carga vrs asentamiento neto




CAPITULO III

82

Tabla 3.10: Técnicas usadas para una prueba de carga en pilotes19

TECNICAS DESCRIPCION

Ensayo de carga controlada Requiere la aplicación de cargas por etapas sobre los pilotes así como la medición del asentamiento.

Rapidez de penetración constante La carga sobre el pilote se incrementa continuamente para mantener una velocidad constante de penetración, que varía de 0.25 a 2.5 mm/min.

Carga cíclica Se aplica una carga incremental y se retira repetidamente.

3.3.10 Asentamiento De Un Solo Pilote

El asentamiento de un pilote aislado proviene del acortamiento elástico del

fuste del pilote y, en parte, de la distorsión del suelo alrededor del pilote. Como

mejor se determinan estos efectos es por el ensayo de carga. El asentamiento

se puede determinar por un análisis estático de la resistencia del pilote,

calculando el acortamiento elástico de cada sección del fuste del pilote,

teniendo en cuenta la porción de la carga total que queda en esa sección. El mayor asentamiento en todos los pilotes, excepto los que se apoyan en roca,

proviene de la consolidación del suelo subyacente por los esfuerzos que

desarrolla el grupo de pilotes.

3.3.11 Pilotes cargados lateralmente

Un pilote vertical resiste cargas laterales movilizando la presión pasiva en el

suelo que lo rodea. El grado de distribución de la reacción del suelo depende

de:

a. La rigidez del pilote

b. La rigidez del suelo





CAPITULO III

83

c. La inamovilidad en los extremos del pilote.

Los pilotes con carga vertical se clasifican en:

1) Pilotes cortos o rígidos.

2) Pilotes largos o elásticos.

Las figura 3.12a y 3.12b muestran la naturaleza de la variación de la deflexión

del pilote y la distribución del momento y fuerza cortante a lo largo de la

longitud del pilote.

Figura 3.12a: Naturaleza de la variación de la deflexión, momento y fuerza

cortante en pilotes rígidos.




CAPITULO III

84

3.3.12 Fórmulas para el hincado de pilotes

Para desarrollar la capacidad de carga deseada, un pilote de punta debe

penetrar suficientemente el estrato denso de suelo o tener contacto suficiente

con un estrato de roca. En este requisito no siempre se satisface hincando un

pilote a una profundidad predeterminada debido a la variación de los perfiles

de suelo, por lo que se han desarrollado varias ecuaciones para calcular la

capacidad última de un pilote durante el hincado. Estas ecuaciones dinámicas se usan ampliamente en el campo para determinar si el pilote ha alcanzado un

valor satisfactorio de carga a la profundidad predeterminada. Una de las

primeras ecuaciones dinámicas, comúnmente llamada la fórmula del

Figura 3.12b: Naturaleza de la variación de la deflexión, momento y fuerza cortante

en pilotes elásticos.




CAPITULO III

85

Ingineering News Record (EN) se deriva de la teoría del trabajo y de la energía.

Es decir:

Energía impartida por el martillo en cada golpe= (resistencia del pilote)

(penetración por golpe de martillo)

De acuerdo con la fórmula EN, la resistencia del pilote es la carga última Q u,

expresada como

Donde:

WR= Peso del martillo

h = Altura de caída del martillo

S= Penetración del pilote por golpe

C= Constante

La penetración S, del pilote se basa generalmente en el valor promedio

obtenido de los últimos golpes del martillo. En la forma original de la ecuación

se recomendaron los siguientes valores de C:

♦ Para martillo de caída libre C= 25.4 mm si S y h están en mm; 1 pulg. Si S y h están en pulg.

♦ Para martillos de vapor: C= 2.54mm si S y h están en mm; 0.1 pulg. Si S y h están en pulg.

Se recomendó también un factor de seguridad FS=6, para estimar la capacidad

admisible del pilote. Observe que para martillos de acción simple y doble, el

termino WRh es reemplazado por EHE donde (E= Eficiencia del martillo y HE= Energía nominal del martillo). Entonces:

La fórmula EN ha sido revisada varias veces a lo largo de los años y también se

han sugerido otras formulas de hincado de pilotes.

Q U= WRh S+C

Q u=(EHE)/(S+C)




CAPITULO III

86

3.3.13 Grupos de pilotes

Como corrientemente debajo de las cimentaciones, los pilotes se colocan en

grupos relativamente con poca separación entre ellos, es necesario considerar

la acción del grupo de pilotes. Esto es esencialmente importante cuando se

usan pilotes de pura “fricción” y cuando los suelos subyacentes al estrato

resistente, en que descansan las puntas de los pilotes resistentes por la punta,

son mas compresibles.

3.3.13.1 Capacidad De Carga Del Grupo De Pilotes.

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 es el área 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".

3.3.12.2 Eficiencia Del Grupo De Pilotes.

La eficiencia de la capacidad de carga de un grupo de pilotes se define como

Donde:

η= Eficiencia del grupo.

Qg (u) = Capacidad última de carga del grupo de pilotes.

Qu = Capacidad última de carga de cada pilote sin el efecto del grupo.

Aunque se han deducido muchas fórmulas empíricas para determinar la

eficiencia del grupo de pilotes, ninguna ha demostrado ser verdaderamente

válida.

η = Q g (u)

ΣQ u




CAPITULO III

87

3.3.14 Fricción negativa

Si los movimientos del terreno se producen en sentido paralelo al eje del pilote

se genera una fricción que además de constituirse en una nueva acción sobre el

pilote, elimina la posibilidad de contar con la resistencia del fuste en la zona en

que se origina este fenómeno.

La fricción negativa cuando un pilote atraviesa un estrato en proceso de

consolidación que ocasiona un asentamiento del suelo en la vecindad del fuste

del pilote; debido a que la rigidez del pilote es mayor que la del terreno, la

cimentación se opone a tal asentamiento y el suelo tenderá a colgarse de su

fuste, ocasionando un rozamiento que actúa en sentido contrario al resistente.

En este momento las cargas exteriores y el rozamiento negativo deberán ser

resistidos únicamente por la punta, ya que no se cuenta con la resistencia del

fuste.

En pilote flotantes los máximos valores de fricción negativa se localiza en la

zona superior del pilote comprimiéndolo y provocando un asentamiento en

toda su longitud; dicho asentamiento hace que el fuste en la parte inferior del pilote se desplace con respecto al propio terreno, de forma que se movilice un

cierto movimiento positivo en la parte inferior equilibrando el rozamiento en la

zona superior. Es posible que en estas circunstancias el pilote quede

prácticamente inservible para soportar acciones exteriores.

En pilotes resistentes por punta la carga generada por la fricción negativa

aumenta con la profundidad del estrato del terreno blando, generándose una

pequeña cantidad de fricción positiva en las zonas muy próximas a la punta donde las deformaciones del terreno en las cercanías del estrato resistente son

menores.

En forma general este fenómeno suele ocurrir en suelos cohesivos blandos es

decir en arcillas y limos en consolidación; pero puede ocurrir también si el




CAPITULO III

88

pilote se localiza en un suelo arenoso desplantado sobre un estrato arcilloso o

un limo blando, o en un suelo arenoso de compacidad media a floja en el momento de un sismo, donde las deformaciones verticales en el terreno

podrían ser muy importantes y originar un fuerte rozamiento negativo en

pilotes que le atraviesen.

Algunas de las causas que originan fricción negativa se enumeran a

continuación:

• Asentamiento del terreno por acciones sísmicas.

• Colocación de un relleno sobre terreno blando que es atravesado por el

pilote.

• Sobre cargas en la cercanía de la cimentación.

• Disminución del nivel freático, que ocasiona aumento en la presión efectiva

del suelo y su consiguiente consolidación.

Ciertos procedimientos pueden disminuir considerablemente el efecto de

rozamiento negativo; alguno de estos son: aislar el pilote del estrato en

movimiento y que origina el rozamiento negativo, esto se lleva a cabo

colocando tubos no recuperables dentro de lo cual se colocará el pilote; aunque

de esta manera tampoco se podrá contar con la fricción positiva del pilote.

Cuando es necesario la construcción de grupos de pilotes, es preferible utilizar

pilotes de gran diámetro, ya que si se compara la superficie lateral con la de un

grupo de pilotes de pequeño diámetro, y cada grupo tiene igual sección

transversal, entonces la superficie lateral de los primeros resulta menor y el

rozamiento negativo tiene un efecto relativo también menor sobre la capacidad

de carga de los pilotes de mayor diámetro.




CAPITULO III

89

3.4 DISEÑO ESTRUCTURAL EN PILOTES DE CONCRETO

3.4.1 Introducción

Los especialistas en diseño tienen la libertad de diseñar de acuerdo con su

conocimiento y experiencia, pero deben verificar que sus resultados cumplan

con el reglamento de diseño y construcción que norme técnicamente las

obligaciones generales de seguridad y funcionalidad de la localidad.

En el diseño estructural de una cimentación debe tenerse en cuenta, en el

grupo en que sean significativos, los siguientes factores:

Capacidad de carga del material de apoyo (suelo o roca).

Deformaciones del suelo, inmediatas y diferidas.

Resistencia y rigidez de la subestructura.

Resistencia y rigidez de la superestructura.

Los pilotes deben ser capaces de resistir sin dañarse:

1) El aplastamiento bajo cargas verticales.

2) El aplastamiento por impacto durante en hincado.

3) Esfuerzo durante el manejo.

4) Tensión debida a fuerzas de subpresión, bufamiento del suelo o rebote

durante el hincado.

5) Fuerzas horizontales que ocasionen flexión.

6) Fuerzas excéntricas que causen flexión.

7) Momentos flexionantes por curvatura.

8) Efecto de columna en los tramos sin soporte lateral del terreno en contacto con aire, agua o lodo muy fluido.

Los pilotes deben tener un área suficiente tanta lateral como en sección

transversal, para poder transferir la carga al estrato de suelo seleccionado en el




CAPITULO III

90

caso de pilotes de fricción, y suficiente área en la base si son pilotes trabajando

por punta.

En el diseño estructural de una cimentación puede seguirse el procedimiento

básico siguiente:

Calcúlense las fuerzas y momentos transmitidos a la cimentación por la

superestructura.

Supónganse unas dimensiones para la cimentación (el área de cimentación

debe ser tal, que bajo las cargas y momentos que la estructura transmite a

la subestructura no se exceda la capacidad de carga calculada del terreno).

Supóngase una distribución de presiones de contacto entre la subestructura

y el suelo o, en caso en sistema formado por el suelo y los pilotes, que

cumplen con las condiciones siguientes:

• Existe equilibrio local y general entre las presiones de contacto, las

fuerzas internas en la subestructura y las fuerzas de momentos

transmitidos a esta por la superestructura.

• Los hundimientos diferencial, inmediatos mas diferidos, calculados con

la presión de contacto supuesta actuando sobre el terreno y los pilotes,

son menores que los tolerados por la superestructura

• Los asentamientos diferenciales, inmediatos mas diferidos, calculados

con la presión de contacto supuesta, actuando sobre combinación de

superestructura y subestructura, son menores que los permisibles.

Si no se cumple alguna de las condiciones anteriores, debe suponerse otra

distribución de presiones de contacto y repetirse el proceso.

Los pilotes de concreto colados en el sitio son cilindros o prismas de gran

longitud en relación a su diámetro, cuya capacidad de carga es la suma de su

resistencia por rozamiento con el terreno y su apoyo en punta.




CAPITULO III

91

Una vez determinada la carga de hundimiento y los asientos correspondientes a

la carga admisible, se procede al dimensionamiento estructural del pilote; el cual puede ser calculado como una columna corta. Sin embargo, hay dos

diferencias importantes a ser tomadas en cuenta en el diseño estructural.

• El pilote está rodeado por el terreno, lo que disminuye el peligro de pandeo.

Aun cuando el terreno sea muy blando.

• Las cargas que se admiten para los pilotes de concreto colados en el sitio

son inferiores que para otro tipo de estructura debido a la incertidumbre de

la calidad del concreto en el interior de la perforación.

3.4.2 Diseño estructural

3.4.2.1 Solicitaciones.

Las cargas de servicio a que está sometido el pilote debe estar factoradas. El ACI

318‐02, estipulan que las cargas factoradas U son:

Fuente: ACI 02 (sección 9.2 tabla 5.1)

Donde: W = carga por viento de servicio D = carga muerta de servicio L = carga viva de servicio E = carga sísmica de servicio.

Si los pilotes están sometidos a carga axial como momento flectores, se diseña

como columna en flexo‐compresión.

U = 1.2D + 1.6L U = 1.2D + 1.6L +0.8W U = 1.2D + 1.0L + 1.4E




CAPITULO III

92

3.4.2.2 Diseño por flexión

Para determinar el esfuerzo longitudinal se puede hacer prueba y error o

utilizando los diagramas de interacción de columnas.

Puesto que las cargas deben estar factoradas, se tiene:

Donde: PU Y MU: carga axial y momento ultimo.

PD Y PL: carga muerta y viva axial de servicio.

MD Y ML: momentos debidos a cargas muerta y viva de servicio.

3.4.2.3 Selección del diagrama a utilizar

El diagrama que se seleccione debe estar preparado para la misma sección

transversal (circular o rectangular), resistencia del concreto (f'c), esfuerzo de

fluencia del acero (fy) se debe tomar como se muestra en la figura 3.13

PU = 1.2 PD + 1.6 PL ACI 318‐02 (sección 9.2 tabla 5.1)

MU = 1.2MD +1.6 ML ACI 318‐02 (sección 9.2 tabla 5.1)

Ag = (πxD2) /4, para circulares (área gruesa)

AC = (πxD’2) /4, para circulares (área del núcleo)

Ag = (B) (L), para cuadrados y rectangulares (área gruesa)

AC = (B’) (L), para cuadradas y rectangulares (área del núcleo)




CAPITULO III

93

DD'

B'

B

LL'

3.4.2.4 Resistencia estructural del pilote como columna

A través de estudios técnicos y de resultados experimentales se ha demostrado

que el suelo en que se hinca un pilote lo confina lateralmente en toda longitud.

Por lo tanto, el pilote trabaja como columna corta y son aplicables las fórmulas

deducidas para este tipo de miembros estructurales.

Consecuentemente, se proponen la siguiente fórmula para pilotes de concreto:

En donde: Q a: Carga axial permisible o de trabajo f ’c: Esfuerzo de fluencia del concreto f y : Esfuerzo de fluencia del acero Ag: Área gruesa As : Área transversal de las varillas longitudinales de esfuerzo del pilote FS: Coeficiente de seguridad (se recomienda utilizar un valor de 3) Nota: La fórmula anterior es aplicable tanto para pilotes de concreto simple y reforzado.

Figura 3.13: Para sección circular y cuadrada

Q a = [(0.85 f ’c) (Ag ‐AS) +AS f y ]




CAPITULO III

94

3.4.2.5 Secuela del proyecto

Para el proyecto de una cimentación por medio de pilotes se requiere como

elemento esencial un perfil del suelo que represente los resultados de sondeos

exploratorios. Comúnmente este perfil de suelos provee toda la información

necesaria para decidir si la cimentación puede establecer sobre pilotes de

fricción, sobre pilotes resistentes de punta o sobre pilotes mixtos.

El siguiente paso consiste en elegir la profundidad de hincado y el tipo de pilote

a emplear, basándose en aspectos económicos y en las condiciones impuestas

por las características de la obra.

Se determinan luego la capacidad de carga última de un pilote y este valor se

divide por un coeficiente de seguridad apropiado para obtener la carga

admisible por pilote.

Preliminarmente el número de pilotes para una carga dada será igual a dicha

carga entre la capacidad admisible de pilote empleado.

Donde:

N: Número de pilotes

Q u: Carga última

Q adm: Carga admisible o permisible

Determinado el número de pilotes, el siguiente paso es el de elegir su

espaciamiento. Por razones de índole económica y practica se ha establecido que la distancia D entre ejes de pilotes debe estar comprendida entre 2.5 a 4.0

veces el diámetro superior de dichos pilotes.

Una distancia D menos a 2.5 veces el diámetro superior del pilote dificulta su

hincado, una distancia D mayor de cuatro veces el diámetro del aumenta el

costo de la zapata cabezal de los mismos, sin beneficio a la cimentación.

N = Q U / Q adm




CAPITULO III

95

Ejemplo de aplicación de diseño geotécnico y estructural de pilotes de concreto

colados en sitio para el edificio de 4 niveles de la facultad de ingeniería y arquitectura ubicada en el Campus Universitario de la Universidad de Oriente.

(UNIVO) El terreno se ubica sobre carretera Panamericana a 300 metros del

desvío a las Placitas, en la jurisdicción de Quelepa, departamento de San

Miguel20.

Nota: Cabe aclarar que para el ejemplo a desarrollar, se utilizará el estudio de

suelos del proyecto Hotel Trópico Inn de la ciudad de San Miguel, donde se

recomendaron cimentaciones profundas.

20 Fuente: Bonilla, Rafael Arturo y otros, Propuesta de Diseño Estructural para el Edificio de la Facultad de

Ingeniería y Arquitectura en el Campus de la Universidad de Oriente .tesis, Universidad de Oriente, 2006.

Figura 3.14: Edificio de cuatro niveles




CAPITULO III

96

Registros y resultados obtenidos del estudio de suelos

del proyecto Hotel Trópico Inn realizados por el Laboratorio de I.C.I.A., S.A de C.V.




CAPITULO III

97




CAPITULO III

98




CAPITULO III

99




CAPITULO III

100




CAPITULO III

101




CAPITULO III

102

Resultados obtenidos del estudio de suelos.

En la siguiente tabla, se resume las condiciones del suelo detectadas en las

perforaciones y ensayos de laboratorio realizados

La capacidad de carga admisible del subsuelo correlacionada a través de los

Ensayos de Penetración Estándar es variable según cada sondeo y profundidad.




CAPITULO III

103

Diseño geotécnico:

De acuerdo al estudio de mecánica de suelos del Proyecto Hotel Trópico Inn, se

proponen los siguientes valores. La longitud estimada del pilote, dependerá de

la profundidad a la que se encuentre una capacidad de carga admisible del

suelo no menor de 5kg/cm2 y la sección del pilote se propone según criterio y

experiencia del estructurista.

Datos Estimados:

Longitud del pilote= 7.0 metros (L) Sección del pilote= 50 cm (D)

Nota: El pilote se encuentra prolongado sobre el estrato del suelo compacto,

para el cual suelo= 1900 Kg/ m3 y φ′ = 30° ¿calcular la capacidad de carga del

suelo?

Solución: Utilizando el Método de Meyerhof y Janbu por ser el más

desfavorable para la capacidad de carga por punta Q p y Q s

Cálculo de carga por punta del pilote

Meyerhof

Q p = Ap q'Nq* = Ap L Nq*

Q p = Ap L Nq*

Para φ′ = 30°, Nq*≈ 55 (véase la figura 3.6), por lo tanto

Q p1 =[ π(0.50)2/4][7.0X1900X55] =143,629.69 Kg

Q p1 = 143.63 ton←




CAPITULO III

104

Janbu

Q p = Ap L Nq*, para c’ = 0, φ′ = 30°, ή =90°, Nq*≈ 18.40 (véase la tabla 3.8)

Q p = [ π(0.50)2/4][7.0X1900X18.40] =48050.66 kg

Q p3 = 48.05 ton←

Q p = (143.63 + 48.05)/2 = 95.84 ton←

Q p = 95.84 ton←ok

Cálculo de carga por fricción

Para el cálculo de la carga por fricción, se elegirá el sondeo donde se obtengan

las capacidades de los estratos del suelo más desfavorables.

Sondeo 1 (S‐1)

N=17

N=24N=22

N=45N=74N=35

N=46N=52

AB

CDEF

GH

I

J

K

0.50

1.5

2.0

2.53.0

3.54.0

4.55.05.5

6.0

2.60 0 . 5 0

1.0

N=16N=19

N=9N=12

Figura 3.15: Muestra de los diferentes NSPT del S‐1




CAPITULO III

105

Correlaciones de pruebas de penetración estándar

Q s = 0.02 N LP (kg/cm2)

P = 2πr = Perímetro del pilote

Debido a que el pilote atraviesa varios estratos, la carga admisible total es la

suma de las contribuciones de los diferentes estratos encontrados en el sondeo

S‐1. Tomando en cuenta los valores de NSPT encontrados en las diferentes

profundidades, se tiene la ecuación:

Q s =∑Q s

Q s =∑[0.02X 16X50 + 0.02X 19X50 + 0.02X9X50 + 0.02X12X50 + 0.02X17X50 +

0.02X24X50 +0.02X22X50 + 0.02X45X50 + 0.02X74X50 + 0.02X35X50 + 0.02X

46X50 + 0.02X 52X50][2πX25]

Q s = 58276.54 kg

Q s = 58.28 ton←

Q u = Q p + Q s = (95.84 +58.28) ton

Q u = 154.12 ton←

Q adm = Q u / Fs

Q adm =154.12 / 3.0

Q adm = 51.37 ton← (carga admisible que soporta el suelo)




CAPITULO III

106

Diseño estructural

Datos:

’concreto= 4200 kg/cm3

f ′c = 280 kg/cm2

suelo = 1900 kg/mt3

PDx = 85.59 ton PDy = 23.93 ton

PLx = 55.09 ton PLy = 12.84 ton

PEX = 26.32 ton PEy = 27.91 ton

MDx = 0.00 ton‐mt MDy = 0.0142 ton‐mt

MLx = 0.00 ton‐mt MLY = 8.21x10‐3 ton‐mt

MEx = 34. 95 ton‐mt MEy = 27.78 ton‐ mt

Dimensión de la columna = (60X60) cm

Pcol = (0.6x 0.60x16x 2400) = 13,824 kg = 13.82 ton

Dimensión de la zapata = (260X260X50)

Pz = (2.6x2.6x0.5x 2400) = 8,112 kg = 8.11 ton PT = PDx + PDy + PLx + PLy + Pcol + Pz

PT = 85.59 + 23.93 + 55.09 + 12.84 + 13.82 + 8.11

PT = 199.38 ton←

Numero de pilotes: #

# = PT/Q adm = 199.38/51.37

# = 3.88 ≈ 4.0 pilotes

Se asumen 5 pilotes




CAPITULO III

107

Revisión de esfuerzo en cada pilote por la acción combinada de carga axial y

flexión biaxial

3.70 m 6.0 m 6.0 m 6.0 m

6 7 8 9

15

25

1 2 3 4 5

10 11 12 13 14

16 17 18

19 20 21 22 23

24 26 27

29 30 31 3228

35 3633 34

X

Y

0.60 MT 1.40 MT 0.60 MT

0 . 6

0 M T

1 . 4

0 M T

0 . 6

O M

T

Figura 3.16: Eje A‐3 analizando la condición más desfavorable de diseño

Figura 3.17: Muestra la zapata del eje A‐3 analizada




CAPITULO III

108

Carga en cada pilote:

Q u = (PT/#) + (MY X)/ΣX2 + (MxY)/ΣY2

La separación entre pilotes S ≥ 2.5D

Asumiendo S =2.8D = 2.8 (0.50) = 1.4 mt

X = 0.70 m; ΣX2 = 4(0.70)2

= 1.96mt2

Y = 0.70m; ΣY2 = 4(0.70)2

= 1.96 mt2

Evaluando cargas de servicio

a) Carga gravitacional

MY = MDY+ MLy; MX = MDX+ MLX

Q U = (PT/#) + (MY X)/ΣX2 + (MXY)/ΣY2

Q U = (199.38/5) + (0.0142+8.21x10‐3)0.70/ 1.96 = 39.88 ton←

Q U < Q adm

39.88 < 51.37 ok← pasa

b) Accidental

G + EX + 0.3EY (evaluando en Y)

P = 199.38 +26.32 + 0.30 (27.91) = 234.07 ton←

MY1 = MY + MEY = 0.0142 + 27.78 = 27.80 ton‐m←

MX2 = MX + 0.30MEY = 8.21x10‐3 + 0.30 (34. 95) = 10.50 ton‐m←




CAPITULO III

109

El factor de capacidad admisible para cargas accidentales oscila alrededor de

1.50, por lo tanto, asumiendo 1.50 tenemos 1.5Q adm.

1.5Q adm = 1.5 (51.37) = 77.05 ton←

Q U = (P/#) + (MY1 X)/ΣX2 + (MX2Y)/ΣY2

Q U = (234.07/ 5) + (27.80 + 10.50)(0.70)/1.96 = 60.49←

Q U < Q adm

60.49< 77.05 ok←

G + 0.30EX + EY (evaluando en X)

P = 199.38 + 0.30 (26.32) + (27.91) = 235.19 ton←

MY3 = MY + 0.30MEY = 0.0142 + 0.30 (27.78) = 8.35 ton‐m←

MX4 = MX + MEY = 8.21x10‐3 + (34. 95) = 34.96 ton‐m←

Q U = (P/#) + (MY3 X)/ΣX2 + (MX4Y)/ΣY2

Q U = (235.19/5) + (8.35+34.96) (0.70)/ 1.96 = 62.51 ton ←

Q U < Q adm

62.52 < 77.05 ok←

Evaluando condiciones de cargas factoradas

a) Gravitacional

PU = 1.2 PD + 1.6 PL




CAPITULO III

110

PU = 1.2 (131.45) +1.6 (67.93) = 266.43 ton←

MU = 1.2MD +1.6 ML

MU = 1.2 (0.0142) + 1.6 (8.21x10‐3) = 0.030 ton‐m←

Q U = 266.43/5 + (0.030)0.70 / 1.96 = 55.27 ton←

b) accidental

G + EX + 0.3EY (evaluando en Y)

PU =0.75 (266.43) +1.4 (26.67) + 0.30 (1.4) (27.91) = 248.88 ton←

MUY = 0.75 (0.030) +1.4 (27.78) = 38.91 ton‐m←

MUX = 0.75 (0.0) + 1.4 (0.30) 34. 95 = 14.68 ton‐m←

Q U = 248.88/5 + (38.91 +14.68) (0.70)/1.96 = 68.92 ton←

G + 0.3EX + EY (evaluando en X)

PU = 0.75 (248.88) +1.4 (0.30) (26.67) + 1.40 (27.91) = 236.94←

MUY = 0.75 (0.030) +1.4 (0.30) (27.78) = 11.69 ton‐m←

MUX = 0.75 (0.0) + 1.4 (34. 95) = 48.93 ton‐m←

Q U = 236.94/5 + (11.69 +48.93) (0.70)/1.96 = 74.44 ton←




CAPITULO III

111

Evaluando punzonamiento alrededor de la columna

columna = (60X60) cm

borde de columna

sección criticapor

punzonamiento

d/2

d / 2

d = 43 cmd '

Datos:

PU = 266.43 ton

d’ = 60 + d = 60 + 43 = 103 cms

bo = 103 (4) = 412 cms

VU = 266.43 / (2.6X2.6) = 39.41 ton/mt2

VU critico = (39.41) (2.62 – 1.032) = 224.60 ton ←

ФVC = Ф (1.1 ) (bod) = 0.85 (1.1) (440X50)/ 1000 = 344.2 ton ←

ФVC > VU critico; ok ←

Figura 3.18: Punzonamiento de columna




CAPITULO III

112

Evaluando Punzonamiento alrededor del pilote tenemos:

d/2d/2 d

Datos:

PU = 74,440 kg

d’ = 50 + d = 50 + 50 = 100 cms

bo = 100 (π) = 314.16 cms

VU = 74.44 ton ←

ФVC =Ф (1.1 ) (bod) = 0.85 (1.1) (314.16X50)/ 1000 = 245.76 ton ←

ФVC > VU; ok ←

Figura 3.19 Punzonamiento del pilote




CAPITULO III

113

Evaluando cortante en zapata


d

d

d = 43 cm

260/2260/2

Y

X

X = 260/2 -60/2-43

X = 57 cmasumimos

h = 50 cm

VUltimo = 266.43/ (2.60)2 = 39.41 ton/m2←

VU critico = VUltimoXL = (39.41X2.6X 0.57) = 58.40 ton←

ФVC = 0.85 (0.53) Ld = 0.85 (0.53) (260x47)

ФVC = 92.11 ton

ФVC > VU; ok ←

Figura 3.20: Cortante en zapata




CAPITULO III

114

Diseño de zapata por flexión


260/2260/2

Y

X

X = 260/2 -60/2

X = 100 cm

En zapatas el recubrimiento mínimo es 7.0cm, entonces d=43 cm

MU = VUltimo (LX2/2) = 39.41 [(2.6X 12) / 2]

MU = 51.23 ton‐m←

Para zapatas AS = MU / (Фf y X brazo), donde el brazo = 0.95d y Ф = 0.90

AS = MU / [(0.90f y)(0.95d)] = (51.23X105) / [(0.90X4,200) (0.95X43)]

AS = 33.18 cm

2

←

ASmin = 14(bd) / f y = (14X260X43)/ 4200 = 37.27 cm2←

S = (AVXB)/ ASmin = (3.87X 260) / 37.27 = 27 cms

Colocar varilla Nº 7 @ 20 cms en ambos sentidos en el lecho inferior.

Figura 3.21: Diseño de zapata por flexión




CAPITULO III

115

Encontrando Refuerzo longitudinal del pilote tenemos:

ρmin = 0.01

AS = ρmin AP = 0.01 (πx502) /4 = 19.63 cm2

Utilizando varilla numero Nº 7

N = (19.63/ 3.87) = 5.10 cms

S = π d /6 = (πX15) / 6 = 15.71 cms

Utilizar varilla Nº 7 @ 15.71 cms

15.71

r

6 varillas Nº 7 @ 15.71

60°

con paso de 4.5espiral Nº 4

DETALLE DE PLANTA DE PILOTE RADIO 25 cm

Figura 3.22: Detalle estructural del pilote




CAPITULO III

116

Encontrando Refuerzo transversal del pilote tenemos:

El refuerzo transversal será una hélice continua de paso constante (S)

S = (4AV) / (Фc ρs)

AV = área de la varilla

Фc = diámetro del núcleo del concreto

Ag = (πx502) /4 = 1963.50 cm2

Ac = (πx(50‐ 2 recubrimiento)2) /4 = (πx302) /4 = 706.86 cm2

ρs = 0.45[Ag/AC ‐ 1](f'C / f y) ≥0.12(f'C / f y)

0.12 (f'C / f y) = (0.12X280) / 4200 = 0.008

ρs = 0.45[1963.50/706.86 ‐ 1](280 / 4200) = 0.053

0.053 ≥ 0.008 ok←

S = (4X1.29) / (30 X0.053) = 3.24 cms

Фc/6 = 30/6 = 5.0 cms

4 cms < S <

7.5 cms

Colocar refuerzo transversal Nº 4 con S =4.5 cms




CAPITULO III

117

0.10 mt

7 . 0 m t

0.70 mt

0 . 2 0 m t

0 . 1 0 m t

0 . 5 0 m t

0 . 0 4 5 m t

0.50 mt

zapata (2.6X2.6) mtcolumna (0.6X0.6) mt

pilote de 0.50 mtde diametro

0.30 mt

Revisión de la capacidad de carga del pilote:

Q a = (0.85 f ’c (Ag ‐ AS) +AS f y )

As = acero longitudinal = (23.22) cm2

AS = 23.22 cm2

Ag = 1963.50 cm2

Q a = [(0.85 X280) (1963.50 – 23.22)] + (23.22X4200)] X 10‐3 = 559.31 ton

Q adm = Q a / FS = 559.31 /3 =186.44 ton

186.44 > PU = 74.44 ok←

Figura 3.23: Detalle estructural de columna, zapata y pilote

018151_Cap3 Diseño de Pilotes en AMSS El Salvador

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