UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA Escuela Profesional de Ingeniería Civil Diseño de cimentaciones profundas CÁ T E D RA :CI ME N TACIO NE S D O CE N T E :I N G . MA I TA P EREZ MA N U EL I N T E G RA NT E S: - A RA N A L U L O , J E S U S - CA RBA J A L RA MO S , ME L E CI O - PA I TA N CRI S TO BA L , O S T E RL IN G - RE Y ES TA CZA , J H O N - RO ME RO MA L L Q U I , J I MMY - Z A RAV I A S A L A Z A R , J H O N J . AULA :C1 NORMATIVA E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES Artículo 26 CIMENTACIÓN POR PILOTES los pilotes son elementos estructurales hechos de concreto, acero o madera y son usados para construir cimentaciones en los casos en que sea necesario apoyar la cimentación en estratos ubicados a una mayor profundidad que el usual para cimentaciones superficiales. Estimación de la longitud y de la capacidad de carga del pilote los pilotes se dividen en dos categorías principales, dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia de carga al suelo Si los registros de la perforación establecen la presencia de roca . En este caso la capacidad última de los pilotes depende de la capacidad de carga del material subyacente. Si en vez de roca se encuentra un estrato de suelo bastante compacto . En este caso, la carga última del pilote se expresa como: Qu Qp Qf, Qu Qp Cuando no se tiene roca o material resistente a una profundidad razonable, los pilotes se hincan a profundidades específicas. La carga última se expresa por la ecuación: Qu Qp Qf, Qu = Qf ARTÍCULO 25 DEFINICIÓN CIMETACIONES PROFUNDAS SON AQUELLAS EN LAS QUE LA RELACIÓN PROFUNDIDAD /ANCHO (DF / B) SI ES MENOR O IGUAL (5) SE DISEÑARÁ COMO CIMENTACIÓN SUPERFICIAL, SI ES MAYOR A CINCO (5) SE DISEÑARÁ COMO UN PILAR. A CINCO CAPACIDAD DE CARGA DEL GRUPO DE PILOTES Fricción negativa - En el caso de un grupo de pilotes de fricción en arcilla, deberá analizarse el efecto de grupo. - En el caso de pilotes de punta apoyados sobre un estrato resistente de poco espesor, debajo del cual se tiene un suelo menos resistente, debe analizarse la capacidad de carga por punzonamiento de dicho suelo. Espaciamiento de pilotes - El espaciamiento mínimo entre pilotes será el indicado en la Tabla - Para el caso de pilotes por fricción, este espaciamiento no podrá ser menor de 1,20 m - La fricción negativa es una fuerza de arrastre hacia abajo ejercida sobre el pilote por el suelo que lo rodea, la cual se presenta bajo las siguientes condiciones: • Si un relleno de suelo arcilloso se coloca sobre un estrato de suelo granular • Si un relleno de suelo granular se coloca sobre un estrato de arcilla blanda • Si existe un relleno de suelo orgánico por encima del estrato donde está hincado el pilote GENERALIDADES CIMETACIONES PROFUNDAS ACI 318-19 EL NÚMERO Y DISTRIBUCIÓN DE LOS MIEMBROS DE CIMENTACIÓN PROFUNDOS DEBE DETERMINARSE DE TAL MANERA QUE LAS FUERZAS Y MOMENTOS APLICADOS A LA CIMENTACIÓN NO EXCEDAN LA RESISTENCIA PERMISIBLE DE LA CIMENTACIÓN PROFUNDA. DISEÑO DE MIENBRO DE CIMENTACION PROFUNDA Diseño por resistencia Resistencia axial permisible Se permite diseñar un miembro de cimentación profunda utilizando las combinaciones de carga y la resistencia permisible Y si se cumple con (a) y (b). (a) El miembro de cimentación profunda está soportado lateralmente en toda su longitud. (b) Las fuerzas aplicadas causan momentos flectores en el miembro de cimentación profunda menores que el momento debido a una excentricidad accidental de 5% del diámetro El diseño por resistencia de miembros de cimentaciones profundas debe realizarse utilizando los factores de reducción de resistencia de la Tabla Pilotes de concreto prefabricado Para pilotes prefabricados no preesforzados el refuerzo longitudinal debe colocarse de acuerdo con (a) y (b): (a) barras. Un mínimo de 4 (b) 0.008Ag Un área minina de Esfuerzo mínimo de compresión en pilotes preesforzados prefabricados Tamaño mínimo del refuerzo transversal ACI 318-19 Cabezales de pilotes Se debe seleccionar la altura total del cabezal de pilote de tal manera que la altura efectiva del refuerzo inferior sea al menos 300 mm. Los momentos y ·cortantes mayorados pueden calcularse suponiendo que la reacción del pilote está concentrada en el centroide de la sección del pilote. Excepto para los cabezales de pilotes diseñados de con el método puntaltensor, el cabezal de pilote debe diseñarse de tal manera que se cumpla con (a) para las cimentaciones en una dirección y se cumpla con (a) y (b) para las cimentaciones en dos direcciones . a) øVn>=Vu Máximo espaciamiento del refuerzo transversal Vn debe calcularse para cortante en una dirección b) øVn>=Vu Vn debe calcularse para cortante en dos direcciones 1. ANÁLISIS DE UNA ZAPATA SOBRE PILOTE ANALISIS DE UNA ZAPATA SOBRE PILOTES 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. ANÁLISIS Las cimentaciones son elementos que se encuentran en la base de las estructuras, se utilizan para transmitir las cargas de la estructura al suelo en que se apoyan, las cuales se diseñan para evitar la falla a corte del suelo que viene a ser el flujo plástico y/o una expulsión de suelo por debajo de la cimentación, y por otro lado para evitar el asentamiento excesivo del suelo bajo las cargas de la estructura. En nuestro caso, no existe un estrato a poca profundidad de suficiente capacidad portante para resistir las cargas que transmite el edificio. Por este motivo, el estudio de suelos recomienda el uso de pilotes para cimentar el edificio. Los pilotes necesarios debajo de cada columna o placa serán agrupados mediante cabezales o zapatas de concreto armado, suficientemente rígidas para asegurar su trabajo en conjunto. La carga transmitida a las zapatas no es simétrica debido a la existencia de momentos flectores. Se debe asegurar que la carga actuante en cada pilote ( ya sea de tracción o compresión ) no supere la carga de trabajo especificada en el estudio de suelos. Las zapatas serán diseñadas para soportar la reacción de los pilotes a los esfuerzos transmitidos por la estructura. 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 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO • Los pilotes trasmiten al terreno las cargas que reciben de la estructura mediante una combinación de rozamiento lateral o resistencia por fuste y resistencia a la penetración o resistencia por punta. • Cabe señalar que, como en todo trabajo relacionado con la ingeniería civil, existe cierto grado de incertidumbre en la capacidad final de un pilote. Es por esto que buena parte de la investigación que se viene desarrollando en este campo tiene que ver con métodos que permitan hacer un control de calidad a bajo costo del pilotaje antes de aplicar las cargas. • En muchos casos las teorías que permiten estimar la resistencia de fuste y la resistencia de punta son de tipo empírico. Es decir, son el resultado de un análisis estadístico del comportamiento de ciertos pilotes en determinadas condiciones de terreno. Por lo tanto, es sumamente importante conocer el origen y las condiciones bajo las cuales determinadas fórmulas de cálculo son válidas. • USOS DE LOS PILOTES EN CIMENTACIÓN Los pilotes se usan de muchas maneras para garantizar la seguridad estructural de una edificación u obra de ingeniería. Cuando las cargas transmitidas por la edificación no se pueden distribuir de manera adecuada en una cimentación superficial excediendo la capacidad portante del suelo. Cuando el suelo inmediato a los cimientos produzcan asientos imprevistos y que el estrato resistente esté a cierta profundidad; es el caso de edificios que apoyan en terrenos de baja calidad. En casos de que el terreno este sometido a considerables variaciones de temperatura por hinchamientos y retracciones producidos con arcillas expansivas. Si la edificación a construir estará situada sobre agua o con la capa freática muy cerca del nivel de suelo. • En edificios de altura expuestos a fuertes vientos. • En construcciones que requieren de elementos que trabajen a la tracción, como estructuras de cables, o cualquier estructura anclada en el suelo. • Cuando se necesita resistir cargas inclinadas; como en los muros de contención de los muelles. • Cuando se deben recalzar cimientos existentes. • Los estribos y pilas de puentes son usualmente construidos sobre cimentaciones de pilotes para evitar la posible pérdida de capacidad de carga • – Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión y losas de sótanos debajo del nivel freático, están sometidas a fuerzas de levantamiento. Algunas veces se usan pilotes para esas cimentaciones y así resistir la fuerza de levantamiento 2. ACCIÓN DE CARGA ACCION DE CARGA EN LOS PILOTES en las primeras etapas , de la carga el asentamiento es muy pequeño y se debe casi por completo al movimiento elástico en el pilote y en suelo adyacente . Cuando la carga se elimina en un punto tal con en la A en la figura , la cabeza del pilote recobrara casi su nivel original , en el punto b habrá un rebote elástico y en el punto c esto ya es un punto de falla por otro lado el asentamiento se incrementa rápidamente . a)Asentamiento vs la carga /B)esfuerzos cortantes en el fuster ASENTAMIENTO El asentamiento de un pilote bajo una carga de trabajo vertical, Qw, es causado por tres factores: El asentamiento de un pilote individual bajo una carga es usualmente pequeño que no va presenta problemas. Sin embargo, el efecto combinado de un grupo de pilotes puede producir un asentamiento apreciable, debiendo ser considerado 1. Asentamiento elástico del pilote 2. Asentamiento del pilote causado por la carga en la punta del pilote 3. Asentamiento del pilote causado por la carga transmitida a los largo del fuste del ´pilote LA COMPRENSION EN EL PILOTES La compresión del pilote puede ser una parte significativa del asentamiento total, pero, a diferencia del asentamiento por consolidación, ocurrirá instantáneamente cuando se aplica la carga al pilote CARGAS VERTICALES CARGAS LATERALES CARGAS HORIZONTAL ES Los pilotes , generalmente son usados para soportar cargas verticales en la mayoría por que se tiene suelos con capacidad portante muy bajos . Un pilote vertical resiste cargas laterales movilizando la presión pasiva en el suelo que lo rodea .en general los pilotes cargados lateralmente se clasifican en dos tipos principales , pilotes cortos o rígidos ,pilotes largos o elásticos en ambas se muestran variación deflexión y la distribución de momento y fuerza. Cuando estas están sometidas a fuerzas horizontales ,las cimentaciones con pilotes que resisten por flexión mientras soportan cargas verticales transmitida por la superestructura 3. CALCULO DEL NUMERO DE PILOTES CALCULO DEL NUMERO DE PILOTES • El número de pilotes para una carga dada será igual a dicha carga entre la capacidad admisible de pilote empleado. 𝑄𝑢 𝑁= 𝑄𝑎𝑑𝑚 Dónde: • N: Número de pilotes • Qu: Carga última • Qadm: Carga admisible o permisible CALCULO DEL NUMERO DE PILOTES Las zapatas sobre pilotes son de concreto armado generalmente. Para dimensionarlas, es necesario conocer el numero de pilotes que contienen. Para hallar el numero de pilotes se procede de la siguiente manera, según como trabaja el sistema de pilotes. • Trabajo por punta: 𝑷𝒔 𝑵° 𝒅𝒆 𝒑𝒊𝒍𝒐𝒕𝒆𝒔 = 𝒒𝒑 Ps=Carga de la zapata (incluye peso de la zapata, del terreno) Qp= Capacidad de carga del pilote • Trabajo por fricción: En el caso de que los pilotes trabajen por fricción es necesario reducir la eficiencia de grupo, ya que estos tienden a hundirse en el terreno. 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝒈𝒓𝒖𝒑𝒐 = 𝟏 − 𝜽 𝑵° 𝒅𝒆 𝒑𝒊𝒍𝒐𝒕𝒆𝒔 = 𝒏 − 𝟏 .𝒎 + 𝒎 − 𝟏 .𝒏 𝟗𝟎. 𝒎. 𝒏 𝑷𝒔 𝟏 ∗ 𝒒𝒑 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝒈𝒓𝒖𝒑𝒐 dp= Diámetro del pilote S= Distancia de centro a centro entre pilotes adyacentes m= N° de hileras de pilotes n= N° de pilotes por hilera qp= capacidad de carga del pilote Ps= Carga de la zapata COMENTARIO Conforme el costo de las cimentaciones piloteadas toma importancia, surge la necesidad de determinar un número de pilotes que no fuese mayor que el necesario para proporcionar seguridad a la estructura; se llega entonces a especulaciones teóricas que dan por resultado fórmulas de hinca, aunque posteriormente se determina que éstas adolecían de grandes defectos, haciéndose usual determinar la carga admisible del pilote ejecutando ensayos de carga sobre un pilote de prueba y determinando el número de pilotes mediante el cociente de la división de la carga total entre la carga admisible por pilote. Algunas estructuras resultaron satisfactorias, sin embargo, otras fallaron, de lo cual se deduce que el asentamiento de una cimentación no está necesariamente relacionado con el asentamiento de un pilote de prueba, aún cuando la carga por pilote fuese igual a la carga del pilote de prueba. De cualquier forma, es necesario conocer la capacidad de carga de un pilote porque forma parte de la información para desarrollar un proyecto de cimentaciones piloteadas. Valores promedios de la capacidad portante y longitud de los diferentes tipos de pilotes DETERMINACION DEL NUMERO DE PILOTES № pilotes = 𝐶𝑀+𝐶𝑉 ∗𝐾 𝑃𝑈 CM, CV = Cargas permanentes K = Coeficiente que reemplaza al peso propio de la zapata (depende de la forma de instalación del pilote) PU= Carga de trabajo del pilote (tabla) INTERPRETACION Se tiene que recurrir a agrupaciones de pilotes para soportar la carga de una estructura. Todos los pilotes que van hacer utilizados, tienen que tener aproximadamente la misma longitud. No debería colocarse pilotes en la misma dirección vertical de la estructura que se va a construir. Los pilotes no se pueden colocar cerca uno de otro, ya que los esfuerzos transmitidos por los pilotes al suelo se traslaparan, reduciendo la capacidad de carga de los pilotes. 4. ESPACIAMIENTO ENTRE PILOTES ESPACIAMIENTO ENTRE PILOTES • Según la Norma E 050 para los espaciamientos mínimos entre pilotes se deben tener en cuenta: Los diámetros a considerar de los pilotes. La longitud del pilote. En el caso de pilotes por fricción el espaciamiento no podrá ser menor de 1.20 m. ESPACIAMIENTO MINIMO ENTRE PILOTES DONDE: b : Diámetro o mayor dimensión del pilote MUCHAS GRACIAS
