UNIVERSIDAD DE ORIENTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA TEMA “ZONAS CON SUELOS COMPRESIBLES EN LA CIUDAD DE SAN MIGUEL Y APLICABILIDAD DE CIMENTACIONES PROFUNDAS” PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO CIVIL PRESENTAN: MARVIN TOMAS SEGOVIA CASTRO OSMAN REYNALDO ALVARADO CRUZ SEPTIEMBRE 2004 SAN MIGUEL, EL SALVADOR, CENTROAMERICA 1 ÍNDICE CONTENIDO PÁGINA INTRODUCCIÒN 5 CAPITULO I FUNDAMENTOS TEÓRICOS 6 1.1.1 Identificación del Problema 1.1.2 Planteamiento del Problema 1.1.3 Justificación 1.1.4 Objetivos 1.1.5 Alcances y Limitaciones 1.1.6 Hipótesis 1.1.7 Metodología 1.2 Marco Histórico 1.3 Marco Normativo 1.4 Marco Teórico 1.4.1 Generalidades 1.4.2 Suelos convencionales 1.4.3 Clasificación de suelos 1.4.4 Suelos cohesivos y no cohesivos 1.4.5 Propiedades mecánicas y físicas de los suelos 1.4.5.1 Propiedades mecánicas 1.4.5.2 Propiedades físicas 1.4.6 Consistencia del suelo 1.4.6.1 Límite líquido 1.4.6.2 Límite plástico 1.4.6.3 Límite de contracción 1.4.7 Importancia y requisitos esenciales del suelo para una buena cimentación 1.4.8 Cimentaciones 1.4.8.1 Generalidades 1.4.8.2. Definición de cimentaciones 2 6 8 10 11 12 13 14 17 19 20 20 21 23 25 25 25 29 33 34 34 35 35 39 39 39 CONTENIDO PÁGINA 1.4.8.3 Clasificación de Cimentaciones 1.4.8.3.1 Cimentaciones superficiales 1.4.8.3.2 Cimentaciones semiprofundas 1.4.8.3.2.1 Micropilotes 1.4.8.3.3 Cimentaciones profundas 1.4.8.3.3.1 Pilotes 1.4.8.3.3.2 Pilas de concreto CAPITULO II ESTUDIO DE LAS ZONAS CON SUELOS COMPRESIBLES 2.1 Recopilación y clasificación de ensayos de laboratorio 2.1.1 Conclusiones de las zonas de acuerdo a los ensayos recopilados 2.2 Ensayos requeridos para la propuesta de diseño 2.3 Resultados obtenidos CAPITULO III DISEÑO Y PROCESOS CONSTRUCTIVOS 3.1 Diseño tipo de pilote 3.1.1 Resistencia del pilote 3.1.1.1 Consideraciones de diseño en el esfuerzo cortante 3.1.2 Eficiencia del grupo de pilotes 3.1.3 Diseño estructural de cada pilote 3.2 Procesos constructivos 3.2.1 Generalidades 3.2.2 Métodos constructivos de pilotes colados in situ 3.2.2.1 Método seco 3.2.2.2 Método entubados o ademe 3.2.2.3 Método con lodos estabilizantes 3.2.2.4 Método nivel freático 3.2.2.5 Sistema hélice continua 3.2.2.6 Método constructivo de pilotes artesanales 3.2.3 Equipo utilizado en la construcción 3.2.3.1 Grúas 3.2.3.2 Perforadoras 3.2.3.3 Osciladoras de ademe 3.2.3.4 Martillo para el hincado 3 41 41 53 53 59 59 75 78 78 90 91 93 99 99 99 103 106 109 135 135 136 136 140 142 146 148 149 154 154 156 158 159 CONTENIDO PÁGINA 3.3 Control de calidad y Seguridad en la construcción 3.3.1 Control de calidad 3.3.1.1 Acero de refuerzo 3.3.1.2 Soldadura 3.3.1.3 Agua 3.3.1.4 Agregado fino 3.3.1.5 Agregado grueso 3.3.1.6 Cemento 3.3.1.7 Aditivo 3.3.1.8 Concreto 3.3.2 Pruebas de verificación del concreto de los pilotes terminados 3.3.3 Supervisión de la construcción de pilas y pilotes 3.3.3.1 Pilas y pilotes colados in situ 3.3.4 Medidas de seguridad 161 161 162 164 164 166 169 171 173 175 176 181 181 189 CONCLUSIONES 197 RECOMENDACIONES 199 GLOSARIO 200 BIBLIOGRAFÍA 202 ANEXOS N-1 Tablas Resumen Estudios de Suelos en San Miguel N-2 Ensayos SPT para las Zonas en Estudio N-3 Ubicación Espacial de Sondeos SPT en San Miguel 204 4 INTRODUCCIÓN La Universidad de Oriente y específicamente la Facultad de Ingeniería y Arquitectura, tiene un interés general de ayudar a las comunidades, sobre todo en el ámbito de los servicios básicos como alcantarillados sanitarios, plantas de tratamiento de aguas residuales, propuestas de infraestructura social y/o en la realización de proyectos que brinden un aporte técnico a la sociedad. Es así como a través de las tesis de graduación se logra simultáneamente ayudar a la comunidad y optar en este caso, al título de Ingeniería Civil. Por lo anterior, en la presente tesis, se determinan las zonas con suelos desfavorables para la construcción, aplicando cimentaciones profundas, y brindando de esta manera un aporte técnico a la sociedad. Es por ello, que debido a la complejidad y estudio del tema, el trabajo elaborado a continuación se ha dividido en tres capítulos, determinando las consideraciones y aplicaciones técnicas para la construcción de cimentaciones profundas. En el primer capítulo se describe el objetivo de la investigación, además de proporcionar los fundamentos teóricos necesarios para el conocimiento del suelo a encontrarse, sus propiedades mecánicas, físicas y las diferentes clases de cimentaciones. El segundo capítulo, está enfocado principalmente en la zonificación de la ciudad representada por un mapa de macrolocalización y su estratigrafía según los estudios de suelos recopilados y ejecutados. Para el tercer y último capítulo, se ha realizado el diseño de cimentación profunda de acuerdo a los ensayos establecidos en esta investigación, además de los procedimientos de construcción empleados en cimentaciones profundas coladas in situ. Para finalizar y como complemento de este documento se ha incluido el control de calidad y seguridad en la construcción ya que actualmente en nuestro país todo constructor debe cumplir con estos requerimientos. 5 CAPITULO I FUNDAMENTOS TEÓRICOS 1.1.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA En los últimos años, la ciudad de San Miguel ha tenido un desarrollo considerable en sus actividades, como tales: habitacional, comercio, construcciones, industria y otros rubros. A medida que aumenta la población 245,428 hab., proyectada al 2001, según la Dirección General de Estadísticas y Censo Ministerio de Economía, El Salvador.(DIGEST1C), se incrementa la necesidad de satisfacer la demanda de viviendas. Por otra parte el crecimiento urbano en la ciudad de San Miguel se ha generado y expandido de forma lateral, sin considerar hasta el momento alternativas de construcciones verticales. Después de los terremotos del 13 de enero y 13 de febrero del 2001, los cuales afectaron al país, dañando su economía y estructuras tales como: iglesias, edificios, viviendas, hospitales y otras; se ve la necesidad de realizar estudios de suelos para cimentaciones de nuevas edificaciones en la ciudad de San Miguel y en el área urbana o semiurbana. Con el fin de evitar posibles daños y fallas del suelo a la capacidad de soporte, asentamientos diferenciales, compresibilidad, saturación, etc; los cuales deben cumplir con los requisitos y diseños estructurales. Según los estudios de suelos acopiados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, existen suelos arcillosos desfavorables y compresibles para la construcción en distintas zonas de la ciudad (ver Fig. 1.0). Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una saturación sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas. 6 Aunque las construcciones se realicen mediante técnicos, control de calidad y personal calificado, es importante realizar distintos planteamientos y soluciones adecuadas del tipo de cimentación a utilizar, sobre todo se tiene que considerar la relación Estructura – Cimentación, debido a que se tienen que tener referencias de la estructura a construir en un suelo determinado. FIG. 1.0 MATERIAL ARCILLOSO, FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA DE OTE. UES. Por los motivos anteriores es imprescindible aprovechar el recurso suelo, ya que la preinversión hecha en la realización de una obra civil, debe estar apoyada en información clara y precisa de las distintas características de los suelos y su posible comportamiento con las cargas que se le transmitirán, los datos únicamente serán obtenidos mediante el estudio de suelos, desarrollado por un laboratorio debidamente autorizado y registrado legalmente. El análisis y ejecución de los datos, será responsabilidad del “constructor de la obra” o el delegado establecido por él, ya que es de suma importancia el buen manejo de información para la construcción a realizar. 7 1.1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En el apartado anterior, se identificó la problemática por la cual atraviesa la ciudad de San Miguel con relación al tipo de suelo que se presenta en ciertas zonas, de igual forma su crecimiento poblacional, desarrollo económico y comercial en los últimos años. Una vez identificado el problema y estableciendo su situación problemática, proseguimos al planteamiento del problema, por lo que es necesario definir específicamente lo que sucede en la ciudad de San Miguel y el aporte que se espera dar con investigación. Cuando se requiere de la construcción de una obra civil (viviendas, edificaciones, puentes, carreteras y otros), es necesario considerar varios aspectos generales de ejecución, tales como: • Planos del proyecto: representan los requisitos básicos para establecer lo que se quiere construir, donde se va a construir y la magnitud lo que vamos a realizar. De tal forma, obtenemos la relación Suelo-Estructura, definiendo lo que necesitamos como soporte estructural y posibles alternativas de solución. • Estudios de suelos: en la construcción de una obra, es importante determinar y conocer el tipo de suelo donde se realizará la edificación, ya que el éxito de una obra comienza desde sus cimientos. De tal forma se hace necesario identificar si el suelo donde se realizará la construcción es el adecuado y reúne las condiciones óptimas para soportar las cargas a las que estará sometida. • Alternativas de solución: cuando se tengan problemas con el tipo de suelo encontrado en el lugar, y no reúna las condiciones favorables y económicas para la construcción, es necesario conocer las distintas alternativas de solución para lograr una buena edificación. Se elegirá de esta manera una solución económica, favorable, que cumpla con los requisitos mínimos y con las Normas de calidad exigidas internacionalmente como: ASTM, AASHTO, ACI, etc. 8 Con relación a lo antes mencionado, es importante establecer lo que debemos hacer cuando se tienen estratos de suelos saturados, poco saturados, compresibles (baja capacidad de carga para un buen soporte); desconocimiento de procesos de diseño y constructivos de cimentaciones profundas (pilotes), en la zona donde se ubicará la investigación. Entonces llegamos al planteamiento de la siguiente pregunta: ¿Cómo puede determinarse la aplicación de cimientos profundos para edificaciones en la ciudad de San Miguel? Para responder a la pregunta planteada, es necesario tener un conocimiento de las propiedades mecánicas de los suelos, los estudios realizados en el lugar y sus respectivas recomendaciones por los Laboratorios de Suelos, de igual forma conocer los distintos métodos de aplicación de diseño en la construcción de las cimentaciones profundas, sus procesos constructivos y los requerimientos de calidad exigidos internacionalmente. 9 1.1.3 JUSTIFICACIÓN En el Municipio de San Miguel se han realizado construcciones con cimentaciones profundas, las cuales son efectuadas cuando los estratos de suelos situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar las cargas transmitidas con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable. En distintos casos las construcciones están realizadas con cimentaciones superficiales o semiprofundas, debido al tipo y magnitud de la estructura que se ha realizado, por ejemplo: casas habitacionales, locales comerciales, restaurantes y otros. Actualmente no existe en la ciudad de San Miguel, un documento o guía que sirva de referencia para utilizar cimentaciones profundas en los suelos existentes de las zonas a establecer, ya que para la realización de este tipo de investigación es necesario un interés académico o institucional. Por las razones anteriores es necesario elaborar un documento que haga una recopilación de resultados de laboratorio actualizados y que brinde alternativas de solución de cimentaciones profundas en base a la estratigrafía encontrada, generando de esta manera un aporte técnico que sirva a la sociedad como un apoyo para la construcción de fundaciones. 10 1.1.4 OBJETIVOS Objetivo General: • Elaborar un documento que sirva como orientación general, sobre los estratos de suelos a encontrar en la ciudad, y en las zonas desfavorables la aplicabilidad de cimentaciones profundas coladas in situ. Cumpliendo de esta manera con el requisito académico para optar al grado de Ingeniero Civil. Objetivos Específicos: • Realizar una delimitación del área en estudio para la ciudad de San Miguel, la cual tendrá como prioridad los suelos compresibles que no son de beneficio para la cimentación. • Determinar las propiedades de los suelos a encontrarse en las zonas de estudio, por medio de la recopilación de estudios de suelos y los ensayos propuestos a realizarse. • Aplicar cimentaciones profundas en los suelos desfavorables encontrados previamente determinados en las zonas del área de estudio. • Establecer los procesos constructivos colados in situ, en los lugares donde se requieran las cimentaciones profundas. • Proporcionar un documento donde se puedan describir las zonas en las cuales se encuentren las arcillas compresibles, su profundidad y resistencia a ser fundadas. • Elaborar un material de consulta para la construcción de edificaciones de gran magnitud o una estructura con requerimientos y/o estudios de cimentaciones profundas. 11 1.1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES Alcances: • Elaborar un documento con los resultados de ensayos de suelos actualizados de las zonas delimitadas por nuestra investigación para la ciudad de San Miguel. • Determinar el tipo de cimentación profunda a utilizar en el suelo más desfavorable encontrado, el cual estará de acorde al desarrollo urbanístico proyectado en el mapa de uso de suelos según PADCO ESCO (1998). • Representar mediante un mapa de macrolocalización los resultados promedios obtenidos en la zonificación delimitada. • Se realizarán Estudios de suelos en las zonas desfavorables previamente delimitadas, los cuales complementarán la información de la recopilación de los resultados de laboratorio existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel. Limitaciones: • Nuestra área de estudio se limitará en las zonas: urbana, semi-urbana y potencialmente urbana de la ciudad de San Miguel. • En las zonas previamente delimitadas donde existan suelos compresibles con “N” muy bajos (dependiendo de los resultados de laboratorio y la edificación a construir), se determinarán las soluciones mediante cimentaciones profundas coladas in situ. • En este estudio se hará una propuesta de diseño para cimentaciones profundas, que sea el más factible y económicamente posible en el área delimitada para la ciudad de San Miguel. • La investigación de los procesos constructivos aplicando cimentaciones profundas coladas en el lugar, estará limitado a los recursos y equipos que sean utilizados en el país, sin exceptuar la maquinaria extranjera. • La campaña geotécnica a realizarse, contemplará los estudios de suelos recopilados en la Alcaldía Municipal de San Miguel, además de realizar nuevos estudios en las zonas proyectadas de desarrollo que se encuentren en el área delimitada. Los estudios propuestos serán de Penetración Estándar (SPT). 12 1.1.6 HIPÓTESIS “Por medio de la recopilación existente y nuevos ensayos de Penetración Estándar (SPT), realizar una macrozonificación del subsuelo de la ciudad de San Miguel, la cual permita identifica los estratos compresibles a diferentes profundidades que requieran de la aplicabilidad de cimentaciones profundas. En adición a lo anterior, es necesario además un análisis de los modelos matemáticos usuales para el diseño estructural y procesos constructivos acerca de los pilotes, ya que se aportaría con esto, conocimientos fundamentales al sector profesional y estudiantil para el uso de cimentaciones profundas empleando pilotes”. 13 1.1.7 METODOLOGÍA Se iniciará con la recopilación de los estudios de suelos existentes realizados en la ciudad de San Miguel, de esta manera, se logrará identificar los tipos de suelos, estratigrafía y sus propiedades a encontrarse. Luego se procederá a la delimitación del área de estudio, para lo cual se necesitará un plano de localización actualizado (se investigará en el Centro Nacional de Registros CNR) de la ciudad de San Miguel. Al mismo tiempo se hará la actualización de resultados de laboratorio obtenidos. Se estima encontrar diferentes zonas estratigráficas, por lo que será conveniente realizar Estudios de Laboratorio de suelos para la verificación de los ensayos recopilados y sus posibles soluciones de cimentación para los casos que se presenten. Estos estudios serán de Penetración Estándar (SPT) en el área más desfavorable y/o crítica con suelos compresibles o nivel freático cercano a la futura cimentación, y que tengan proyección urbanística según el uso de suelos determinado por el Plan de Desarrollo Urbano de la ciudad (PADCO-ESCO). Una vez realizados todos los Estudios de suelos y la recopilación de información, se aplicarán cimentaciones profundas en los suelos desfavorables conforme a los resultados de laboratorio. Para esta investigación se hará un análisis de las cimentaciones profundas, estableciendo las partes por las que están compuestas, además de los requerimientos de normas y especificaciones técnicas que deben de cumplirse a satisfacción, dependiendo del tipo de material, tipo de ensayo a realizarse y exigencias a cumplir en nuestro país. Después de definir la clase de cimentación, será necesario realizar el “Diseño Tipo” según los lugares a proponer, realizando tres evaluaciones con distintas características estratigráficas. 14 Seguidamente se establecerán los diferentes procedimientos de construcción, los cuales estarán regidos por la maquinaria y recursos utilizados para su realización, complementados con el control de calidad y seguridad. Finalmente se espera que el documento tenga un valor considerable para los usuarios, que llene las expectativas y que cumpla con nuestros objetivos planteados, de esta manera facilitar a los interesados en el tema, las aplicaciones de cimentaciones en la ciudad de San Miguel. 15 1.2 MARCO HISTÓRICO La importancia de un estudio de suelos, radica en saber si el suelo será capaz de soportar las construcciones, iniciando con la cimentación, que es la parte conocida como infraestructura que se colocará por debajo de la superficie del terreno y que transmitirá las cargas al suelo. Con el transcurso del tiempo se determinó que algunas de las estructuras se deterioraron antes de la vida útil, presentando distintas fallas, debidas a que el suelo sobre el cual han sido cimentadas no han soportado el peso de la misma, a consecuencia de las deformaciones sufridas por el suelo, tales como asentamientos, deformaciones, expansión del suelo y otros. En nuestro país, después del terremoto de 1965 en la Ciudad de San Salvador, se vio la necesidad de realizar estudios de suelos, a los pocos años de este fenómeno surgieron los laboratorios de suelos, los cuales comienzan a realizar y dar ciertas recomendaciones en suelos de mayor problema con tratamientos especiales o cimentaciones profundas. Hasta el fenómeno sísmico de 1986 en San Salvador, las cimentaciones profundas y especialmente los pilotes tomaron cierto auge, ayudando también a que se empieza a trabajar en zonas que fueron cafetales en las que se descubrieron existencia de humus y de materia orgánica. En consecuencia el 98% de los pilotes de nuestro país fueron puestos hace menos de 18 años. En la zona oriental especialmente en San Miguel, en la cual se ubica nuestra zona de estudio, se han tenido algunos casos de daños a las estructuras, debido a que las cimentaciones de estas han fallado a causas de no conocer las características físicas y mecánicas de los suelos y por consiguiente no practicarles un tratamiento adecuado. Fue hasta después de 1986 que se empiezan a realizar recomendaciones especiales, pero fue en la década de los años 90 en los cuales se empiezan a utilizar cimentaciones 17 profundas en ciertas zonas. Entre algunas ellas tenemos: Plaza Chaparrastique, Texaco Saquiro, edificio Ex Credisa, Puente Gavidia, Super Repuestos, Teatro Gavidia y otros. No hay un registro existente en la Ciudad de San Miguel de que se halla construido algún tipo de cimentación profunda antes de esta época*. *Estudios de suelos existentes en la Alcaldía Municipal de San Miguel. 18 1.3 MARCO NORMATIVO Actualmente en nuestro país no existe ningún marco propio regulatorio sobre cimentaciones superficiales y profundas, pero se toman en cuenta la calidad y especificaciones de los materiales a utilizar en los diferentes tipos de cimentación. Generalmente para pilotes, pilas y micropilotes construidos de concreto y acero se utilizan los criterios de diseño y normas del “ACI Manual of Concrete Practice”, así como también normas Mexicanas que son aplicables en nuestro país. Algunos temas cubiertos por estos reglamento son: Planos y Especificaciones, Supervisión, Materiales; Calidad del concreto; Mezclado y Colocación, Concreto preforzado; Concreto prefabricado; y otros. Para otro tipo de materiales distintos del concreto y acero, se basaran en las normas “American Society for Testing and Materials” (ASTM). Esta comprende materiales como madera (la cual es aplicable para cimentaciones profundas), además de los métodos para la elaboración de los ensayos de laboratorio. En nuestro estudio realizaremos sondeos de suelos con ensayos de Penetración Stándar SPT (Ver en Anexo N-2). Con esto se pretende obtener la información necesaria de los estratos que conforman el subsuelo, a fin de cumplir con el Capitulo 6, Art. 46, del Reglamento para la Seguridad Estructural de Construcción de la República de El Salvador. En cuanto a los procesos constructivos en cimentaciones profundas, son los laboratorios de suelos y las compañías supervisoras, las que se basan en nuestro país en manuales Mexicanos de cimentaciones (se ampliará en el capítulo tres), para poder dar las especificaciones necesarias. Cuando intervienen compañías extranjeras (específicamente Americanas o Japonesas) hay pequeñas diferencias constructivas ya que utilizan métodos propios de sus países de origen. 19 1.4 MARCO TEÒRICO 1.4.1- GENERALIDADES. Toda obra de ingeniería civil descansa sobre el suelo, el cual, a diferencia de otros materiales de construcción, no tienen definidas sus propiedades y características, es decir que varían de una zona a otra. Puesto que el suelo es parte fundamental en el comportamiento de la estructura, el conocimiento de estas, así como el de otras condiciones que influyen en él; a tal grado que de nada sirve un buen diseño estructural si se desconocen o se ignoran tales propiedades y características. Para la determinación de la resistencia del suelo o para prever su comportamiento con el tiempo una vez cargado, es necesario conocer ciertos datos, que se pueden obtener a partir de los estudios en el laboratorio por medio de las muestras que se toman en los sondeos de campo. Es obvio que algunos resultados que se obtienen por el muestreo de pozos a cielo abierto, difieren un poco de las propiedades del suelo (laboratorio), ya que se alteran sus condiciones por el manejo y transporte. De esto se deriva la necesidad de usar factores de seguridad, con los que se obtienen resultados satisfactorios. Se puede hacer una distinción general entre los materiales básicos: suelo y roca. En el extremo la distinción es clara, por ejemplo, entre granito suelto y granito sólido. Sin embargo una distinción mas precisa, es un poco difícil, ya que algunos suelos que son muy compresibles pueden ser muy duros (generalmente estado seco), mientras que algunos tipos de roca son muy blandas o tienen muchas fracturas, lo cual las hace susceptibles a la desintegración. Para el uso práctico de la ingeniería, el suelo se define, generalmente, como un material formado por partículas discretas que son muy fáciles de separar. Por ser el suelo un material natural, sus propiedades no son controlables y son más difíciles de determinar con precisión. Además, la respuesta de la mayoría de los suelos bajo carga es no lineal desde los niveles bajos de esfuerzos y se modifican en forma 20 importante con el tiempo. Esta distribución de esfuerzos entre el suelo y la cimentación depende de la interacción entre ambos sistemas. 1.4.2- SUELOS CONVENCIONALES Son conocidos los siguientes grupos y tipos*: - Gravas: son fragmentos de rocas cuyo tamaño van de 2 mm a 250 mm. Los tamaños son variados, de formas redondeadas o angulares. Se encuentran combinadas con otros tipos de suelo y habrá que darle tratamientos como a los cantos gruesos. - Arenas: son pequeñas partículas de formas redondeadas o angulosas que proceden de rocas disgregadas. Al describirlas se suele adoptar la clasificación arbitraria (tabla 1.0). TABLA 1.0 CLASIFICACIÒN DE LAS ARENAS TIPO DE ARENA DIÀMETROS Arena fina 0.05 – 0.25 mm Arena media 0.2 – 0.6 mm Arena gruesa 2.0 – 2.5 mm Mecánica de Suelos. Juárez Badillo, 1995. Estas se constituyen en suelos que no tienen cohesión, estando limpias no se contraen al secarse, son mucho menos compresibles que las arcillas y si se aplica una carga en su superficie, se comprimen casi de manera instantánea. Las arenas limosas o materiales arenosos normalmente son buenos para cimentación. Sin embargo, cuando la arena es muy fina y suelta disminuir su resistencia y capacidad de soportar cargas. Los suelos arenosos como Limo arenoso, arena limosa, arenas puras, y otras; son muy susceptibles a los problemas de erosión, socavación, y a disminuir rápidamente su resistencia. Este tipo de suelo se mejora con un tratamiento ligante y confinante, de esta forma se vuelve apto para cimentación. - Limos: son suelos compuestos de partículas muy finas, con poca o ninguna plasticidad, cuyos diámetros varían de 0.05 a 0.005 mm aproximadamente. Los 21 limos orgánicos generalmente se encuentran mezclados con materia orgánica finalmente dividida, de olor desagradable si está contaminada. Los limos sueltos y saturados son completamente inadecuados para soportar cargas a través de la estructura de cimentación. La permeabilidad de los limos es muy baja y su compresibilidad muy alta. Los limos de no encontrarse en estado denso, no se consideran buenos para cimentar, en espesor grueso son buenos para cimentar. Son suelos de partículas muy finas que a veces pueden confundirse con la arcilla, debido a que algunos presentan cierta plasticidad por asociaciones arcillosas, lo cual modifica su típico comportamiento, en relación a la consistencia, resistencia y capacidad de carga; aunque esta plasticidad se puede disminuir combinándolo con un suelo arenoso. Algunas veces un suelo limoso está contaminado con materia orgánica y esto causa que el suelo sea inestable, por lo que habrá de darle un tratamiento que lo mejore combinándolo con otros suelos (selecto). Sin materia orgánica y estabilizándolo mediante compactación y otro material apropiado. - Arcillas: están compuestas de partículas finas, generalmente en forma de laminillas o escamas, cuyos diámetros llegan a ser menores de 0.005 mm. Las arcillas se vuelven plásticas cuando se humedecen, pero pierden la plasticidad y se contraen al secarse. Presentan marcada cohesión según su humedad, son compresibles y al aplicarle una carga en su superficie se comprimen lentamente, es muy sensible a los cambios volumétricos y a las contracciones principalmente perdiendo su resistencia y capacidad de carga. Así que para disminuir su plasticidad se puede combinar con otro suelo arenoso y estabilizarlo mediante compactación. Cuando las arcillas se utilizan como suelo de cimentación se debe controlar su contenido de humedad ya que son muy susceptibles a los cambios volumétricos cuando se saturan o se secan. - Tierra vegetal: es una mezcla de arena, limo o arcilla, o una combinación de cualquiera de ellos, además de materia orgánica. La tierra vegetal no es útil para cimentar. Deberá removerse totalmente y sustituirla por suelo sano sin materia orgánica, la arena limosa es ideal para este tipo de sustitución. - Turba: es suelo constituido por materia orgánica parcialmente descompuesta. La turba es inservible en suelo de cimentación o como material de relleno. *Manual de fundaciones de las estructuras según tipos de suelo. UES,1996. 22 1.4.3- CLASIFICACIÒN DE SUELOS. Clasificar un suelo, es agruparlo, de manera tal de conocer lo siguiente: • Sus descripciones, de modo que se pueda identificar y tener una idea sobre sus futuros comportamientos en cualquier tipo de obra. • El conocimiento de su permeabilidad y su resistencia al esfuerzo cortante. De aquí surge el problema de agrupar los suelos en un reducido número de tipos y por otro lado, tenemos la ventaja de la clasificación por su notación corta, resulta muy útil para dar con una idea general y una información abstracta y fácil de identificar un suelo. Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos o subgrupos basados en su comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificación proporcionan un lenguaje común, para expresar en forma concisa las características generales de los suelos, que son infinitamente variadas sin una descripción detallada. Actualmente en los laboratorios se usa el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS), para la distribución por tamaño del grano y plasticidad de los suelos. Sistema Unificado de Clasificación de suelos (SUCS): La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usarse en la construcción de aeropuertos emprendida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército durante la Segunda Guerra Mundial. En cooperación con la Oficina de Restauración de Los Estados Unidos de América, el sistema fue revisado en 1952. Hoy en día, es ampliamente usado por los ingenieros y laboratoristas. Este sistema clasifica los suelos en dos amplias categorías: - Suelos de grano grueso: son de naturaleza tipo grava y arenosa con menos del 50% pasando por la malla No.200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo G o S; donde “G” significa grava o suelo gravoso y “S” significa arena o suelo arenoso. - Suelos de grano fino: con 50% o más pasando por la malla No.200. Los símbolos de grupo comienzan con un prefijo “M”, que significa limo inorgánico, “C” para arcilla inorgánica u “O” para limos y arcillas orgánicos. El símbolo “Pt” se usa para turbas, lodos y otros suelos altamente orgánicos. Otros símbolos son también usados para la clasificación: 23 • W: bien graduado • P: mal graduado • L: baja plasticidad (límite líquido menor que 50) • H: alta plasticidad (límite líquido mayor que 50) Para una clasificación apropiada con este sistema, se recomienda la siguiente información: • Los símbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM, GC, GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM y GP-GC. Similarmente, los símbolos de grupo para suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML, y Pt. TABLA 1.1 CLASIFICACIÒN DE SUELOS SUCS 24 1.4.4- SUELOS COHESIVOS Y SUELOS NO COHESIVOS. Una característica que hace muy distintivos a los diferentes tipos de suelos es la cohesión, debido a ello se clasifican en: Suelos cohesivos y no cohesivos. Suelos Cohesivos: es la propiedad de atracción intermolecular que hace que sus partículas se mantengan muy unidas entre si; como las arcillas. Suelos no Cohesivos: están formados por partículas duras de diversos diámetros en forma suelta o muy sueltas como las arenas, y no poseen cohesión. 1.4.5- PROPIEDADES MECANICAS Y FISICAS DE LOS SUELOS. Son necesarias para el cálculo de la resistencia del terreno y para estimar el comportamiento que tendrá al transcurrir el tiempo; se puede determinar por medio de ensayos realizados en el laboratorio o por ensayos hechos en el lugar a cimentar. 1.4.5.1- PROPIEDADES MECANICAS. Sirven para conocer las respuestas al someterlo a diferentes tipos de carga, a través de las estructuras de cimentación.- Entre las principales propiedades mecánicas tenemos: Permeabilidad: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al agua en su travesía por la masa del suelo; el grado de permeabilidad varia según el tipo de suelo. Un suelo o roca es permeable cuando contiene vacíos o fracturas continuas; los vacíos existen en todos los suelos incluyendo las arcillas mas compactas. La forma de los granos es importante especialmente en los suelos más gruesos. El grado de saturación y el aire atrapado en los poros reduce el área en la sección transversal y puede llegar hasta obstruir el paso del agua. La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: la viscosidad del fluido, distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. En los suelos arcillosos la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores 25 mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son: la concentración iónica y el espesor de las capas del agua adheridas a las partículas de arcilla. El valor del coeficiente de permeabilidad “k”, varía ampliamente para diferentes suelos; como se muestra en la tabla 1.2; se dan algunos valores típicos para suelos saturados. La permeabilidad del suelo no saturado es menor y crece rápidamente con el grado de saturación. TABLA 1.2 COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD “K ” TIPO DE SUELO k (cms/seg) Grava limpia 100 – 1 Arena gruesa 1.0 – 0.01 Arena fina 0.01 – 0.001 Arcilla limosa 0.001 – 0.00001 Arcilla 0.000001 Braja M. Das, 2001. La permeabilidad también está relacionada con las propiedades del fluido que pasa a través del suelo por la siguiente ecuación: k = γw η . K donde: γw = peso específico del agua η = viscosidad del agua K = permeabilidad absoluta La permeabilidad absoluta se expresa en unidades de longitud al cuadrado, es decir en centímetros cuadrados (cm²). Resistencia al corte: las obras de ingeniería son construidas sobre el suelo y es necesario garantizar su estabilidad, seguridad y economía; previendo la falla del terreno. El análisis de la estabilidad del suelo comprende los aspectos siguientes: - Analizar la fuerza actuante sobre él (peso propio del suelo, cargas aplicadas y otros). 26 - Determinar la resistencia del suelo con el objeto de establecer los valores de la cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo. La resistencia al corte del suelo, se cuantifica por medio de la cohesión “C” y el ángulo de fricción interna “ø” para calcular su capacidad de carga. En un suelo saturado, el esfuerzo normal total en un punto, es la suma del esfuerzo efectivo y la presión de poro: σ = σ´ + u El esfuerzo efectivo σ´ es tomado por los sólidos del suelo, entonces aplicando la ecuación a la mecánica de suelos tenemos: Tf = c + ( σ – u ) tan ø = c + σ´ tan ø donde: Tf : esfuerzo cortante actuante, final o de falla en Kg / cm² c : cohesión del suelo en Kg / cm² σ´: esfuerzo normal actuante en el plano de falla en Kg / cm² ø : ángulo de fricción interna El valor de “c” para la arena y limo inorgánico es cero. Para arcillas normalmente consolidadas, “c” se considera igual a cero. Las arcilla sobreconsolidadas tiene valores de “c” que son mayores que cero. El ángulo de fricción se llama a veces ángulo de fricción drenado. Valores típicos del ángulo de fricción se dan en la tabla 1.3; para arcillas normalmente consolidadas el ángulo de fricción generalmente varía entre 20º y 30º. Para arcillas preconsolidadas, la magnitud del ángulo decrece. Para arcilla naturales no cementadas, preconsolidadas con presión de preconsolidación menor que aproximadamente 1,000 KNt / m², la magnitud de “c” cae en el rango de 5 a 15 KNt / m². 27 TABLA 1.3 ANGULO DE FRICCIÓN INTERNA “ø” ø º (grados) Tipo de suelo Arena: granos redondeados Suelta Media Densa Arena: granos angulares Suelta Media Densa Grava con algo de arena Arcillas consolidadas Limos 27 - 30 30 - 35 35 - 38 30 - 35 35 - 40 40 - 45 34 - 48 20 - 30 26 - 35 Braja M. Das, 2001 Deformación: las deformaciones en los suelos aún bajo pequeñas cargas, es mucho mayor que la de otros materiales; este estado no se produce inmediatamente a la aplicación de las cargas, si no que se desarrollan con el transcurso del tiempo. Cuando un suelo se somete a incrementos de esfuerzos totales, como resultado del aumento de cargas aplicadas (ej: la construcción de un edificio), se produce en él un exceso de presión intersticial (presión de poros) que se disipa mediante un flujo de agua hacia el interior, ya que el agua no puede sufrir esfuerzos cortante. La velocidad a la cual se produce este proceso depende principalmente de la permeabilidad del suelo y la expulsión del agua, al aplicar la carga al suelo es casi instantánea según su permeabilidad y se reacomodan las partículas ocasionando fricción interna al interior de toda la masa sometida. Lo contrario ocurre con las arcillas saturadas, donde la permeabilidad es muy baja y los asentamientos ocurren lentamente con el tiempo, ya que el agua tardará mucho en ser expulsada hacia los límites permeables de la capa arcillosa. Generalmente, durante el proceso de consolidación la posición relativa de las partículas sólidas sobre un mismo plano horizontal, permanecen esencialmente con la misma posición. Así, el movimiento de las partículas del suelo, la deformación y el drenaje puede ocurrir solo en la dirección vertical, por lo que a ésta se le denomina Consolidación Unidimensional. 28 El proceso de consolidación del suelo tiene dos consecuencias importantes: - Conduce a una reducción de volumen de los poros, y por lo tanto, a una reducción del volumen total de la masa del suelo, lo cual se manifiesta en asentamientos de la superficie del terreno natural, en el plano del contacto suelo – estructura, y por consiguiente en asentamientos de la estructura. - Durante la disipación del exceso de presión intersticial, el esfuerzo efectivo en la masa del suelo aumenta y por lo tanto se incrementa su resistencia la esfuerzo cortante. De lo anterior se deduce que cuando un suelo se consolida, se produce una disminución de la relación de vacíos acompañada por el incremento del esfuerzo efectivo. Con la consolidación se determina la deformación del suelo con el tiempo, por la acción de las cargas aplicadas en los siguientes casos: cuando hay un cambio de forma y no de volumen (deformabilidad), y cuando hay un cambio de volumen y no de forma (compresibilidad). 1.4.5.2- PROPIEDADES FÍSICAS. Los suelos para cimentaciones se pueden diferenciar entre sí, a través de sus propiedades físicas en formas cualitativas y cuantitativas como se expresa a continuación: Cualitativas: (determinadas por inspección visual y manual) - Textura: es el grado de finesa y uniformidad del suelo descrito según la sensación que produce el tacto y por descripción visual. - Estructura: es la forma que las partículas de suelo se disponen (entre sí) dentro de la masa del suelo, conformando su esqueleto. - Consistencia: es el grado de tracción entre las partículas del suelo y la resistencia ofrecida a las fuerzas que tienden a deformar o a romper en sí el suelo, se describe como dura, frágil, friable, pegajosa, plástica y blanda. A los suelos en general a partir de la estructura que tienen en estado natural se le determina sus propiedades físicas, considerando que están compuestos en tres porciones fundamentales, una sólida de suelos propiamente dicho, otra líquida en forma de contenido de agua y otra gaseosa en forma de combinación de distintos gases acumulados en el subsuelo de la corteza terrestre. Estas porciones son conocidas como 29 las fases fundamentadas de los suelos que se muestran en la Fig. 1.0, para definir las propiedades físicas. FIG. 1.0 FASES DE LOS SUELOS donde: Volumen del aire: Volumen del agua: Volumen de vacío: Volumen de la masa: Volumen de sólido: Va Vw Vv Vm Vs Peso del aire: Peso del agua: Peso de los sólidos: Peso de la masa del suelo: Wa = 0 Ww Ws Wm Cuantitativas: (determinadas a través de ensayos de laboratorio) - Porosidad: es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de la masa del suelo, y generalmente se expresa en porcentaje. n % = Vv x 100 Vm donde: n % : porosidad Vv : volumen de vacío Vm : volumen de masa Relación de vacíos o índice de poros “e”: es la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de los sólidos. e = Vv Vs donde: e: relación de vacíos Vv: volumen de vacíos Vs: volumen de sólidos 30 - Densidad relativa: ya que la porosidad por sí misma no indica si un suelo es suelto o denso, se recurre a la densidad relativa que es tomada en la información que al comparar la porosidad de un suelo dado y las porosidades de ese mismo suelo en su estado más denso y más suelto posible, puede ser expresado numéricamente por la siguiente expresión: Dr = eo - e eo - emin donde: eo : relación de vacíos del suelo en su estado más suelto, estable. emin: relación de vacíos en el estado más denso que puede obtenerse en el laboratorio. e : relación de vacíos del suelo natural en el terreno. - Contenido de Humedad: es la cantidad de agua que hay atrapada en un suelo; y se define como la relación entre peso del agua contenida en el suelo y el peso del suelo seco expresado en porcentaje, así: W% = Ww x 100 Ws donde: W%: contenido de humedad Ww : peso del agua Ws : peso del suelo seco La humedad de los suelos en nuestro medio esta determinada según la época; también influye el acercamiento con el nivel freático, pero en muchos casos la variación de esta propiedad solo es en la capa superficial, principalmente en las arcillas. Dentro del contenido de la humedad podemos encontrar tres importantes características que son: 31 • Grado de saturación: es la relación entre el volumen de el agua contenida en la muestra de suelo y el volumen de vacíos del suelo. Gw% = Vw / Vv donde: Gw%: grado de saturación Vw : volumen de el agua Vv : volumen de vacíos • Peso especifico seco: es la relación entre el peso seco de le suelo (secado al horno a 105ºC +/- 5ºC) con respecto a su volumen total. γd = Ws donde: γd: peso especifico seco Vm Ws: peso del suelo seco Vm: volumen total del suelo • Peso especifico saturado: es la relación entre el peso de el suelo saturado del agua estado natural y el volumen total del suelo. γsat = Ws + Ww Vm donde: γsat: peso especifico saturado Ww: peso del agua Ws: peso de los sólidos Vm: volumen total del suelo 32 Las propiedades de algunos suelos típicos según Terzaghi se muestran a continuación en la siguiente tabla: TABLA 1.4 PROPIEDADES DE SUELOS TÍPICOS Descripción Relación de vacíos "e" Contenido de humedad w% 30 16 Peso Específico γ kg/m³ 0.8 1.45 Arena uniforme, suelta 0.45 1.8 Arena uniforme, densa Arena limosa suelta de grano 0.65 25 1.6 angular Arena limosa densa de grano 0.4 15 1.9 angular 0.6 21 1.7 Arcilla firme o consolidada Arcilla blanda ligeramente 0.90-1.4 30-50 1.15-1.45 orgánica 2.5-3.2 90-120 0.6-0.8 Arcilla blanda muy orgánica 5.2 194 1.27 Bentonita blanda Manual de Fundaciones de las Estructuras. UES, 1996. 1.4.6- CONSISTENCIA DEL SUELO Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, este puede ser remodelado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debido al agua absorbida que rodea las partículas de arcilla. A principios de 1900, un científico sueco, Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un método para describir la consistencia de los suelos de grano fino con contenido de agua variable. A muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta mas como un sólido frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos: sólido, semisólido, plástico y líquido. El contenido de agua, en porcentaje, en el que la transición en que el estado sólido a semisólido tiene lugar, se define como El Límite de Contracción. El contenido de agua en el punto de transición del estado semisólido a plástico es El Límite Plástico, y de estado plástico a líquido es El Límite Líquido. Estos límites se conocen también como: Límites de Atterberg. 33 1.4.6.1- LÌMITE LÌQUIDO (LL) Es el contenido de humedad expresada en porcentaje con respecto al peso seco de una muestra de suelo, con el cual el suelo cambia de estado líquido a plástico. En el año de 1932 Casagrande concluyó que cada golpe de un dispositivo estándar para límite líquido corresponde a una resistencia cortante del suelo, de aproximadamente 1gr/cm² (0.1 KN/m²). Por consiguiente, el límite líquido de un suelo de grado fino da el contenido de agua, para el cual la resistencia cortante del suelo es aproximadamente de 25gr/cm² (2.5 KN/m²). El procedimiento de esta prueba en el laboratorio se realiza de la siguiente manera: Consiste en una copa de bronce y una base de hule duro, ésta copa, se deja caer sobre la base por una leva operada por una manivela. Para la prueba se coloca una pasta en la copa, se corta una ranura en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de corte estándar, luego con la leva operada por la manivela, se levanta la copa y se deja caer desde una altura de 10 mm. El contenido de agua, en porcentaje requerido para cerrar una distancia de 12.7 mm a lo largo del fondo de la ranura a los 25 golpes se define como el límite líquido. Este procedimiento se amplía en las Normas ASTM D4318. 1.4.6.2- LÌMITE PLÀSTICO (LP) Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la muestra del suelo secado al horno, para el cual los suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a un estado plástico. La prueba en el laboratorio, se ejecuta formando cilindros delgados con una muestra de suelo plástico con un diámetro de 3 mm, si el suelo no se desmorona, se recoge el cilindro, se vuelve a amasar y se rola de nuevo. Se repite este proceso hasta que el cilindro comienza a desmoronar hasta adquirir un diámetro de 3 mm. A la humedad que se desmorona el cilindro, se define como el límite plástico. El Índice de Plasticidad (IP), es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo: IP = LL – LP El procedimiento para la prueba del límite plástico, se da en las Normas ASTM D-4318. 34 1.4.6.3- LÌMITE DE CONTRACCIÓN Es el contenido de humedad expresado en porcentaje con respecto al peso seco de la muestra del suelo que pasa por la malla No.40, con el cual una reducción de agua no ocasiona disminución en volumen del suelo. La prueba en el laboratorio se determina preparando una muestra de volumen conocido con una humedad superior al límite líquido, misma que se seca en el horno. Se mide el peso y el volumen de la muestra secada al horno, se hace un cálculo de la humedad a la que la muestra seca estaría precisamente saturada. Se considera que esta humedad es el límite de contracción. LC = Wi (%) – Δw (%) donde: Wi: contenido del agua inicial cuando el suelo se coloca en el recipiente del límite de contracción Δw: cambio en el contenido de agua (es decir entre el contenido de humedad inicial y el contenido de agua en el límite de contracción). El procedimiento de esta prueba, se detalla en las Normas ASTM D-427. 1.4.7- IMPORTANCIA Y REQUISITOS ESENCIALES DEL SUELO PARA UNA BUENA CIMENTACIÒN La cimentación comprende la parte que soportará la superestructura, el suelo y la roca que están debajo, por lo tanto, su proyecto depende de ambos. Si en una estructura se aprecia que una viga o columna ha resultado débil, puede por lo general, reforzarse; pero si una cimentación falla y se producen asentamientos u otros problemas que hacen también fallar a la estructura, poco puede hacerse para mejorar la situación y dicha estructura quedará inutilizada. He aquí la importancia que tiene el hecho de que una cimentación ofrezca la seguridad necesaria para soportar las cargas que se impondrán. Por lo tanto deben tenerse claros los conceptos sobre la planeación, construcción, funcionamiento y comportamiento de una cimentación, para poder prever y tomar las medidas necesarias y de esta forma evitar resultados peligrosos a su posible falla. 35 Una buena cimentación debe cumplir con los requisitos siguientes: - Debe colocarse a una profundidad adecuada para impedir daños por levantamiento o socavaciones. - Debe presentar seguridad contra la falla del suelo. - Debe asentarse lo mínimo permisible para evitar daños a la estructura. El primer requisito encierra muchas incertidumbres para el campo de la ingeniería, ya que durante todo el tiempo que el suelo soportará la superestructura, estará sometido a diferentes fuerzas naturales y artificiales. Los dos últimos requisitos pueden ser proporcionados con seguridad por un estudio de suelos. • Capacidad de carga del suelo: es la capacidad que tiene un suelo para soportar una carga sin que se desconozca falla dentro de su masa. Puede variar tanto como la resistencia del suelo así como para la magnitud y distribución de la carga. Se puede analizarse por medio de distintas teorías como la de Therzaghi, Meyerhof y otros • Esfuerzo en el suelo: en primer lugar el esfuerzo efectivo vertical inicial en una masa de suelo, antes de que se construya una estructura, es el debido a su propio peso, y el cual es igual al peso del suelo menos el esfuerzo neutro. Los cambios en el esfuerzo neutro pueden tener un papel importante en el asentamiento de una estructura. En segundo lugar, tenemos los esfuerzos verticales debido a las cargas en la superficie. Si el suelo tuviere el comportamiento de columnas independientes, la carga la soportaría solamente las columnas que estarían sometidas a dicha carga, y las otras permanecerían sin cambio alguno. Pero el suelo es una masa coherente en que las columnas del suelo están interconectadas elásticamente. Las cargas aplicadas en un punto se transmiten a través de toda la masa del suelo, extendiéndose lateralmente a medida que aumenta la profundidad. La representación de la distribución de esfuerzos puede obtenerse por medio de las teorías de elasticidad. Para obtener el esfuerzo de una masa de suelo debido a una carga uniformemente distribuida en un área rectangular, se investiga el esfuerzo situado a una profundidad z debajo de una de las esquinas. 36 El valor del esfuerzo a la profundidad z, está dado por la ecuación: σz = W.Wo donde: σz: esfuerzo a la profundidad z. W: carga uniformemente distribuida. Wo: valor de influencia que depende de m y n. m: relación entre el ancho del rectángulo y la profundidad z. n: relación entre el largo del rectángulo y la profundidad z. Para obtener el esfuerzo a lo largo de una normal que pasa por el centro de un área circular uniformemente cargada se utiliza la siguiente expresión: σz = W.Wo donde: σz: esfuerzo a la profundidad z. W: carga uniformemente distribuida. Wo: valor de influencia que depende de la relación entre el radio y la profundidad. z: profundidad a la que se determina el esfuerzo. r: radio del área circular uniformemente cargada. • Asentamientos: las causas principales de los asentamientos en una estructura, son la distorsión y consolidación, y están directamente relacionadas con la carga de la cimentación y se controlan al proyectar la misma. Para cimentaciones en suelos que se asientan lentamente, como las arcillas saturadas, se usa en el análisis de asentamiento la carga permanente más cualquier carga accidental que sea mantenida; pero para suelos de arcilla parcialmente saturada, limos o materiales orgánicos que generalmente se asientan con rapidez, se debe usar la carga permanente más toda la carga accidental. En algunos casos es necesario calcular el asentamiento de cada columna o parte de la estructura, pero en la mayoría es suficiente conocer las partes más críticas, como en los cimientos para maquinaria, chimeneas y columnas más cargadas. Para todos los tipos de cimentaciones sobre arcilla, limos plásticos, los factores de seguridad deben ser los adecuados para evitar una falla por capacidad de carga. Sin embargo es igualmente importante hacer una estimación segura de la 37 magnitud del asentamiento diferencial que puede experimentarse en la estructura, aunque no se exceda el valor de la carga de seguridad. Si el asentamiento diferencial estimado es excesivo, puede ser necesario cambiar la distribución o el tipo de cimentación que se está considerando. En la mayor parte de los casos no se justifica un elevado grado de precisión. Usualmente puede hacerse una selección correcta del tipo de cimentación, si se sabe que el asentamiento diferencial será de orden de: 1, 5 y 50 cms. • Presión admisible del suelo: para el proyecto de una cimentación es necesario conocer la presión máxima que se puede aplicar al suelo (ver tabla 1.5), sin exceder la capacidad de carga y sin que se produzcan asentamientos que ponga en peligro la estructura. Antiguamente se usaban experiencias previas en suelos similares de la región, información de las cuales se hacían uso; sin embargo este método crea con frecuencia dificultades debido a que estos datos fueron hechos en tiempos remotos y en estructuras completamente diferentes a las modernas. Actualmente se usan las pruebas de carga (Ensayos de Placas, etc) para determinar la deformación del suelo. TABLA 1.5 PRESIONES ADMISIBLES DE LOS SUELOS Arena muy suelta Seca 0,0 - 0,50 Kg/cm² Arena suelta Seca 0,5 - 1,50 Arena firme Seca 1,5 - 3,0 Arena compactada Seca 3,0 - 6,0 Arcilla blanda 0,0 - 0,75 Arcilla firme 0,75 - 1,25 Arcilla resistente 1,25 - 2,5 Arcilla dura 2,50 - 5,0 Roca en capas, laminadas o fracturadas 5,0 - 15,0 Roca masiva con alguna fisura 15,0 - 40,0 Roca masiva sana 40,0 - 100,0 Ingeniería de Cimentaciones. Peck, 1993. 38 Inundada 0,0 - 0,30 Kg/cm² Inundada 0,3 - 1,0 Inundada 1,0 - 2,0 Inundada 2,0 - 4,0 1.4.8 CIMENTACIONES 1.4.8.1- GENERALIDADES. Las estructuras constan de dos partes: la superior o superestructura y la inferior que es la cimentación o subestructura. La cimentación es el elemento a través del cual se transmiten los esfuerzos de la superestructura al terreno que debe concebirse de acuerdo a las características de la obra a construir y del suelo en que se cimentará. Las cimentaciones deben proporcionar completa seguridad a la estructura, porque de esto depende la integridad de las vidas de las personas que utilizan el inmueble para realizar sus actividades, así como también la de los distintos equipos, materiales, valores y otros, que puedan existir dentro de la estructura. Es por esto que resulta de vital importancia realizar de forma minuciosa y cuidadosa, tanto la proyección como la construcción de los elementos que soportarán a la estructura, evitando que se cometan errores o que se presenten riesgos considerables sobre la estructura. Algunos de dichos riesgos se pueden generar por deficiencias o deterioro del cimiento debidas ha: - Incorrecto dimensionamiento que por cualquier causa se pueda haber producido. - Destrucción de los elementos de cimentación que por una agresión bien del medio o bien externa. - Deficiente calidad de los materiales aunque el dimensionamiento sea correcto. - Inadecuada ejecución o deficiente puesta en obra, a pesar de que tanto el dimensionamiento como los materiales sean los adecuados. 1.4.8.2- DEFINICIÓN DE CIMENTACIONES La cimentación es la parte de la estructura que permite la transmisión de las cargas que actúan, hacia el suelo o hacia la roca subyacente. Cuando los suelos reciben las cargas de la estructura, se comprimen en mayor o en menor grado, y producen asentamientos de los diferentes elementos de la cimentación y por consiguiente de toda la estructura. Durante el diseño se deben controlar tanto los asentamientos absolutos como los asentamientos diferenciales. 39 De manera general, las cimentaciones pueden ser: cimentaciones superficiales y cimentaciones profundas. A las superficiales también suele dárseles el nombre de cimentaciones directas, ya que los elementos verticales de la superestructura, como las columnas, se prolongan hasta el terreno de cimentación descansando directamente sobre él mediante el ensanchamiento de su sección transversal con el fin de reducir el esfuerzo que se transmite al suelo. De este tipo son las zapatas aisladas, zapatas corridas, zapatas combinadas, zapatas de contrabe, losas de cimentación y otras. El otro tipo, las cimentaciones profundas o llamadas también cimentaciones indirectas, ya que las cargas de la superestructura son transmitidas por elementos intermedios a suelos resistentes que se encuentran a cierta profundidad. A este tipo pertenecen los pilotes, micropilotes, pilas o cilindros y otros. En realidad, no hay límite preciso en la profundidad de desplante que separe a una cimentación superficial de una profunda, sin embargo, actualmente se reconoce como cimentaciones superficiales aquellas en que la profundidad de desplante no es mayor que dos veces el ancho del cimiento*. Por lo general se tiene: Df < 2B = Cimentación superficial Df > 2B = Cimentación profunda donde: Df: Profundidad de desplante de la cimentación B: Dimensión mayor de la cimentación *Teoría de las Cimentaciones, José A. Cedeno, 2003 40 1.4.8.3- CLASIFICACIÓN DE CIMENTACIONES En este trabajo de investigación se clasificarán las cimentaciones de la siguiente manera: 1.4.8.3.1- CIMENTACIONES SUPERFICIALES Las cimentaciones superficiales son construidas normalmente sobre formaciones suaves localizadas arriba de un estrato rocoso, generalmente estas cimentación son conocidas como zapatas. Una Zapata es una ampliación de la base de una columna que tiene por objeto transmitir las cargas al subsuelo a una presión adecuada a las propiedades del suelo. Existen diferentes tipos de zapatas, entre los cuales tenemos: • Zapatas corridas: este tipo de cimentación consta de una franja de losa que corre a lo largo de la longitud de un muro o pared. El ancho de esta franja es mayor que el del muro que soporta. La proyección de esta los, es decir, la parte de la franja que no soporta al muro es analizada como una viga en cantiliver con carga distribuida igual a la presión ejercida por el suelo sobre el lecho inferior de la placa de la zapata. Para este tipo de zapatas, el refuerzo principal se coloca de manera perpendicular al eje del muro. FIG. 1.1 ZAPATAS CORRIDAS w = carga distribuida B = ancho L = longitud de zapata d = altura de relleno Df = nivel de desplante e = peralte b = ancho del patin 41 • Zapatas aisladas: las zapatas para columnas individuales son, en general, cuadradas, se utilizan zapatas rectangulares cuando las restricciones de espacio obligan a esta selección o si la columna apoyada tiene una sección transversal rectangular bastante alargada. En su forma más simple, consta de una losa sencilla. FIG. 1.2 ZAPATAS AISLADAS P = carga concentrada B = ancho e = peralte d = altura de relleno Df = nivel de desplante Las zapatas aisladas debido a las cargas y a las presiones que presentan, se refuerzan mediante dos capas de acero perpendiculares entre sí y paralelas a los bordes. El área requerida de contacto se obtiene dividiendo la carga total que incluye el peso de la zapata que generalmente esta entre un cuatro por ciento y un ocho por ciento de la carga de la columna, por la presión de contacto seleccionada. • Zapatas combinadas: este tipo de zapatas se utiliza para soportar 2 o más columnas, que no necesariamente se encuentran alineadas entre sí, pueden tener forma rectangular o trapezoidal. También se pueden emplear como soporte para elementos estructurales que se encuentran a muy poca distancia entre sí. 42 FIG. 1.3 ZAPATAS COMBINADAS P = carga concentrada x = distancia entre columnas e = peralte d = altura de relleno Df = nivel de desplante • Zapata en voladizo: son muy similares a las zapatas corridas, excepto que las zapatas de la columna exterior y de la columna interior, están unidas por una viga, la cual es de menor ancho que el de cualquiera de las dos zapatas, a este elemento se le llama viga de unión. Una de las razones del uso de este elemento es la reducción de costo, debido a que se necesita menos material que el de una zapata combinada. FIG. 1.4 ZAPATAS EN VOLADIZO P = carga concentrada e = peralte x = distancia entre columnas Df = nivel de desplante d = altura de relleno • Zapatas continuas, reticulares y losas de cimentación: en el caso de columnas cometidas a cargas considerables, en particular si están soportadas por suelos 43 relativamente blandos o poco uniformes, se recurre a la utilización de cimentaciones continuas. Estas pueden ser zapatas continuas que soportan todas las columnas en determinada fila, o dos conjuntos de estas zapatas en franja que se interceptan formando ángulos rectos, de modo que conformen una cimentación reticular continua. Para cargas aún mayores o suelos más blandos, las franjas se traslapan obteniéndose una losa de cimentación. FIG. 1.5 ZAPATAS CONTINUAS P = carga concentrada x = distancia entre columnas e = espesor de losa FACTORES DE DISEÑO DE LAS ZAPATAS Los tipos mas comunes de cimentaciones superficiales son las zapatas, ya sean corridas, aisladas o combinadas. La transferencia de esfuerzo básica entre la zapata y el suelo es por presión de aplastamiento de contacto directo. Para las cimentaciones del tipo aplastamiento, como el caso de las zapatas, se deben establecer varias propiedades estructurales de un suelo. Los principales valores son los siguientes: • Capacidad de carga admisible: este es el valor máximo admisible para el esfuerzo de compresión vertical del suelo en la superficie de contacto de los elementos de apoyo. En la práctica se ha adoptado la costumbre de expresar la capacidad admisible de carga del terreno como una fracción de la capacidad de carga del terreno, esto es, dividiendo la capacidad de carga del terreno entre un número mayor a 1, el cual es denominado Factor de Seguridad (F.S.). 44 Los valores de F.S. pueden variar según: la importancia de la obra, la cantidad y magnitud de incertidumbres que se manejen. Todo lo anterior se refiere a problemas de falla en la cimentación; sin embargo, existen casos en donde el hundimiento representa la condición dominante, y en este caso se deberá usar una capacidad de carga menor que la admisible para que los hundimientos del suelo sean compatibles con el funcionamiento de la estructura. Es este valor el que rige el diseño de las zapatas y se define normalmente como qu. TABLA 1.6 CORRELACION ENTRE LA RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN Y LA CAPACIDAD DE CARGA N 10 20 30 40 50 qu (Kg/cm²) 0,73-0,97 1,90-1,94 2,91-3,40 3,89-4,85 4,85-5,82 Estudio de Pilotes en Cimentaciones. UCA 1985. • Compresibilidad: ésta es la cantidad determinada previamente, de consolidación volumétrica que determina el asentamiento de la cimentación. La cuantificación se hace, por lo general, en términos de la dimensión real de asentamiento vertical establecido previamente para la cimentación. • Presión lateral activa: ésta es la resistencia horizontal ejercida contra estructuras de contención, concebida en su forma más simple como un equivalente a la presión de fluidos. La cuantificación se hace en términos de una densidad para el fluido, equivalente dado en valor de peso unitario real o como un porcentaje del peso unitario del suelo. El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.6): CD sen ø = CD = ________ AC AO + OC 45 pero: CD = radio del círculo de falla = σ´o - σ´a 2 AO = c cot ø OC = σ´o + σ´a 2 Por lo que la razón de σ´a respecto a σ´o se llama coeficiente de presión activa de Rankine: Ka = σ´a = tan² (45 – ø/2) σ´o donde: σ´o: presión efectiva vertical σ´a: presión activa de Rankine ø: ángulo FIG. 1.6 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN ACTIVA Esfuerzo cortante D Tf = c + σ´ tan ø b Ø A Ø c O σ´a C Ko σ´o σ´o Esfuerzo normal D´ • Presión lateral pasiva: ésta es la resistencia horizontal ofrecida por el suelo a fuerzas que se aplican contra la masa del suelo. También se define como función que varía linealmente con la profundidad a la manera de una presión de fluido. La cuantificación se hace por lo general en términos de un aumento de presión específica por unidad de profundidad. 46 El cálculo de esta presión se determina mediante el círculo de Mohr (Fig. 1.4.8.6), por lo que la razón de σ´p respecto a σ´o se llama coeficiente de presión pasiva de Rankine: Kp = σ´p = tan² (45 – ø/2) σ´o donde: σ´o: presión efectiva vertical σ´p: presión pasiva de Rankine ø: ángulo FIG. 1.7 CIRCULO DE MOHR PRESIÓN PASIVA Tf = c + σ´ tan ø Esfuerzo cortante D A Ø Ø c b σ´p O σ´a C Ko σ´o σ´o Esfuerzo normal D´ • Resistencia a la fricción: ésta es la resistencia al deslizamiento a lo largo de la cara de contacto de apoyo de una zapata. Para suelos no cohesivos está dada, comúnmente, como un coeficiente de fricción para multiplicarlo por la fuerza de compresión. Siempre que sea posible, se deben establecer límites de esfuerzo como resultado de una cuidadosa investigación y de las recomendaciones de un ingeniero especializado en suelos. La mayoría de los reglamentos permiten el uso de valores presumibles para diseño. 47 CAPACIDAD DE CARGA DE LAS ZAPATAS Cuando se aplican cargas a una cimentación de apoyo, se generan esfuerzos en la masa del suelo. Para concebir estos esfuerzos y deformaciones que les acompañan, es necesario considerar la naturaleza de los movimientos de la cimentación y de la masa del suelo. A través de los años, numerosos investigadores han tratado de crear una metodología para poder predecir el comportamiento interactivo entre el suelo y la estructura, así como también la capacidad resistente a compresión de los suelos. A continuación se presentan algunas de las teorías más usadas, se presentan únicamente generalidades: • Ecuación de capacidad de carga de Terzaghi: en 1943 fue el primero en presentar una teoría para evaluar la capacidad última de carga del suelo y de las cimentaciones. Sus ecuaciones se desprenden de una adaptación de la teoría desarrollada por Prandtl en 1920, en la cual se analizaba, mediante la teoría plástica, el efecto de penetración generado por una base en un material o suelo suave. Esta teoría está desarrollada para estudiar principalmente cimentaciones superficiales. La ecuación de Terzaghi es fundamental y con ella se puede calcular la capacidad de carga de una cimentación: qu = cNc + γ1DfNq + 1/2γ2BNγ donde: qu: capacidad de carga del suelo c: cohesión del suelo γ : peso específico del suelo arriba del nivel de desplante 1 Df: profundidad de desplante de la cimentación γ : peso específico del suelo abajo del nivel de desplante 2 B: ancho de la zapata NcNq Nγ: factores de capacidad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo Nq = tan² (45 + φ/2)e^πtanφ Nc = (Nq + 1)cotφ Nγ = (2Nq + 1)tanφ 48 El valor que rige el diseño de las cimentaciones es la capacidad de carga admisible, qu, dado que será mucho menor que el valor al cual falla el suelo, dando márgenes de seguridad necesarios para cubrir todas las incertidumbres que pueda presentar el terreno, las acciones que provoquen las cargas actuantes, y en general, los problemas que se presenten durante la construcción. Se ha observado por el comportamiento de las cimentaciones, que la falla por la capacidad de carga de las mismas ocurre como resultado de la rotura del suelo por corte. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO ZAPATAS La distribución de estas presiones en la superficie de contacto entre la cimentación y el suelo es muy variable y muy sensible a las rigideces relativas del suelo, a la cimentación y a las características propias de la estructura del suelo. Una solución exacta al problema del cálculo de la distribución de presiones se obtiene para un modelo en que el suelo se considera como un espacio semi-infinito homogéneo, isótropo y de comportamiento lineal, bajo una zapata infinitamente rígida. La distribución de presiones en una zapata en realidad resulta uniforme ya que las concentraciones de presión en los extremos se reducen por el comportamiento no lineal del suelo y porque el borde es desplazado ligeramente hacia fuera. A medida que la magnitud de la carga sobre la zapata crece, la zona de plastificación del suelo se propaga de los extremos hacia el centro y las presiones son cada vez más uniformes. FIG. 1.8 DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO COHESIVO BAJO UNA ZAPATA RÍGIDA 49 donde: 1. 2. 3. 4. Distribución teórica para espacio elástico Distribución real para esfuerzos bajos Distribución real para esfuerzos altos Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b En una zapata rígida sobre suelo cohesivo (de tipo arcilloso), las distorsiones son radicalmente distintas sobre un suelo granular (arenas o gravas) en que la rigidez aumenta con el confinamiento al que están sometidas las partículas del suelo: así, la rigidez es prácticamente nula en los extremos de las zapatas donde ocurren desplazamientos del suelo hacia fuera y, por tanto, las presiones tienden a cero. Por el contrario, las presiones son máximas en el centro donde el confinamiento de las partículas también es máximo. Cuando el nivel de presiones alcanza valores altos, existe plastificación en las zonas sometidas a mayores esfuerzos, el centro de la zapata, y las presiones tienden a uniformarse. FIG. 1.9 DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN SUELO GRANULAR BAJO UNA ZAPATA RÌGIDA donde: 1. Distribución teórica para espacio eslástico 2. Distribución real para esfuerzos bajos 3. Distribución real para esfurzos altos 4. Esfuerzo promedio ρprom = ρ/b 50 Cuando el elemento de cimentación es flexible, su deformación hace que se reduzcan las presiones en sus extremos dando lugar a las distribuciones uniformes: FIG. 1.10 DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES BAJO UNA ZAPATA FLEXIBLE 1 = suelo cohesivo 2 = suelo granular PRESIONES DE DISEÑO, NETA Y ACTUANTE La presión de diseño, se define como el valor del esfuerzo al cual es suelo falla en corte al aplicar las cargas sobre la zapata, por lo general, es este valor el que rige el diseño de las cimentaciones debido a que el valor real es menor a la capacidad de carga admisible. En las siguientes páginas se denotará la presión de diseño en el terreno por la expresión ft. La presión neta, se define como el esfuerzo transmitido al suelo generado por el peso propio de la zapata, el volumen del suelo sobre la cara superior de la zapata, esta presión debe ser lo suficientemente grande para contrarrestar o equilibrar las fuerzas producidas por el suelo y por la zapata. La presión neta se denota como rn, y se puede obtener mediante la siguiente expresión: rn = ft – Fc ( γt ( Df – h ) + γc h ) donde: rn: Presión neta ft: Presión de diseño del terreno Fc: Factor de carga γc: Densidad del concreto reforzado h: Peralte de la zapata 51 Df : Profundidad de desplante de la zapata γt: Densidad del terreno La presión actuante, se puede definir como la presión que ejerce el suelo para equilibrar la carga aplicada sobre la cimentación bajo un área determinada. Esta presión actuante se denota como ra, y se obtiene mediante la siguiente expresión: ra = Pc Az donde: ra: Presión actuante Pc : Carga factorizada sobre la zapata Az: Área de la zapata FIG. 1.11 PRESIONES DE DISEÑO NETA Y ACTUANTE a). 52 1.4.8.3.2- CIMENTACIONES SEMIPROFUNDAS 1.4.8.3.2.1- MICROPILOTES La primera referencia que se ha encontrado de estos pilotes está en el libro de Sansoni (1963). Describe los micropilotes como: pilotes de pequeños diámetros, ejecutados con perforación y rotación y una tubería de entubación de unos 100 mm de diámetro. Después se coloca una armadura central (de una o más barras) y se realiza el colado manteniendo la presión del mortero en cabeza con aire comprimido, mientras se extrae la tubería de entibación. Se utiliza una mezcla con dosificación elevada de cemento y aditivos. Este tipo de cimentaciones no está claramente definido, ya que teóricamente solo existen dos tipos de cimentaciones: superficiales y profundas. 53 Para efectos de aplicabilidad de esta investigación clasificaremos en este tipo de cimentaciones los Micropilotes, aunque algunos autores los describen como cimentaciones semiprofundas. El término “micropilote” es utilizado casi universalmente pero entendido como refiriéndose a pilotes ejecutados con técnicas diferentes. La confusión procede de que inicialmente los micropilotes constituyeron un procedimiento de construcción específico, patentado en Italia en 1950 a 1952 y en muchos otros países por la empresa FONDEDILE, patentes que, en general expiraron en la década de 1970 – 80. Los micropilotes se usan cada vez más. Hay cuatro áreas de utilización: - Como cimentación y/o recalce de estructuras, trabajando básicamente a compresión. - Constituyendo cortinas o muros discontinuos para contención de terrenos o excavaciones profundas. - Trabajando a flexión, tracción o flexotracción en la corrección de corrimientos o deslizamientos. - En paraguas de presostenimiento de túneles tanto en las bocas (es ya una práctica común en la mayoría de los túneles) como para el paso del terreno muy difíciles o para la recuperación de tramos con hundimiento. Se estudiarán los micropilotes como cimentación y recalce de estructuras, ya que su utilización es la más importante para nuestra investigación de aplicabilidad de cimentaciones en edificaciones. Ventajas del uso de micropilotes en recalces de estructuras: - Los equipos son de tamaño reducido y pueden trabajar incluso dentro de un sótano. - Puede instalarse en cualquier tipo de terreno y atravesar, si es necesario, inclusiones duras (como por ejemplo elementos de cimentaciones antiguas de hormigón o mampostería). - Su perforación es muy similar a la de un sondeo, lo que permite detectar, eventuales cavidades (y en su caso rellenarlas a través de perforación). - Dada su esbeltez trabaja casi exclusivamente por fuste por lo que no es preciso que la punta se apoye en un estrato mas compacto. 54 - La realización de las perforaciones no transmiten sacudidas a las estructuras a recalzar ni a edificios adyacentes. - Los micropilotes pueden realizarse casi en perfecta adherencia con otros edificios y estructura. - Como se trata de un elemento de construcción sencilla el proyecto puede ser flexible y ajustarse a las posibles condiciones del terreno (y de la cimentación) si son cambiantes. Desventajas del uso de los micropilotes: - La relación entre el coste y la carga admitida es mayor en un micropilote que en un pilote. - Muchos procesos de cálculo son empíricos y solo se pueden contrastar con pruebas de carga si se pretende aprovechar al máximo la resistencia del micropilote. - La calidad depende mucho de que el proceso de ejecución sea riguroso. FACTORES DE DISEÑO DE LOS MICROPILOTES Para el cálculo de la Carga Admisible a Compresión de los micropilotes, se mencionan los siguientes métodos: Método Tradicional para micropilotes: Este método fue propuesto por Lizzi (1985), que es el siguiente: Pult = π D L K I donde: Pult: carga última del micropilote a compresión (no incluye coeficientes de seguridad ACI-318R-2000, secc.9.3). D: diámetro nominal L: longitud K: coeficiente que representa el rozamiento por el fuste. I: coeficiente adimensional que depende del diámetro. 55 TABLA 1.7 COEFICIENTES DE LA FORMULA DE LIZZI,1985 SUELO K (Kpa) DIÁMETRO (cm) Blando 50 10 Suelto 100 15 De compacidad media 150 20 Muy compacto, grava, arena 200 25 Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003. I 1.00 0.90 0.85 0.80 Con el método se desprecia la resistencia por la punta y la resistencia por el fuste utilizada puede excederse del valor máximo que suele admitirse para los pilotes convencionales, que es de 100 Kpa. La diferencia es achacada por Lizzi al contacto estrecho entre el pilote, el terreno y el diámetro real, mayor que el nominal. Con este método se ha calculado la intensa mayoría de los micropilotes. Método Convencional: En rigor la resistencia de un micropilote vale: PN = 1 ( π D L qs 1 + πD² qp 1 ) F1 F2 4 F3 donde: PN: carga nominal admisible del pilote F1: factor de mayorización de cargas F2F3: coeficientes de seguridad de minorización de resistencias, fuste y punta D: diámetro nominal (de perforación) L: longitud qs: rozamiento por el fuste qp: carga de hundimiento por la punta Los valores de los coeficientes de seguridad propuestos por Oteo (2001) son: TABLA 1.8 VALORES DE COEFICIENTE F1 (OTEO, 2001) F1 RESPONSABILIDAD IMPORTANCIA ECONÓMICA 1.25 Poca Poca 1.40 Poca Bastante 1.50 Grande Grande F2 = 1.5 a 2 F3 = 3 a 4 Escuela Técnica Superior de Caminos. España, 2003. 56 En realidad la resistencia por la punta es mucho menor que la resistencia por el fuste, y en pilotes largos puede no llegar a movilizarse (ver en apartado de Distribución de carga). Por lo tanto puede despreciarse. La resistencia por el fuste admisible en cada estrato “i” vale: qsia = c´i + ( σ´vio + σ´iny ) tanθ Fc Fφ donde: qsia: resistencia admisible c´i: cohesión efectiva σ´vio: presión vertical efectiva antes de la construcción del micropilote. σ´iny: sobrepresión de inyección efectiva φi: ángulo de rozamiento efectivo F φ: coeficiente de seguridad parcial de minorización del rozamiento tgφ En síntesis la resistencia del micropilote vale: Pn = 1 Σ π D Li qsi F1 En general se pueden adoptarse los siguientes valores de los coeficientes de seguridad para cohesión y rozamiento (Oteo, 2003). Fc = 1.25 a 1.60 y Fφ = 1.25 a 1.35 En la práctica el valor de c´ será muy bajo tanto en arenas como en arcillas normalmente consolidadas, y en cambio será mas significativo para los tramos de micropilotes que atraviesen arcillas muy preconsolidadas o rocas. RESISTENCIAS ÚLTIMAS POR FUSTE A continuación se incluye una tabla según la guía FHWA (Federal Highway Adminstration, 1997), con las resistencias para el fuste de un micropilote: 57 TABLA 1.9 RESISTENCIA ÚLTIMA qs, POR FUSTE EN Kpa Descripción del Terreno Tipo A Limo y arcilla (con algo de arena) (blando, plasticidad media) Limo y arcilla (con algo de arena) (rígido, denso a muy denso) Arena (con algo de limo) (fina, suelta a medio densa) Arena (con algo de limo y grava) (fina a gruesa, medio densa a muy densa) Grava (con algo de arena) (a medio densa a muy densa) Resistencia última por fuste Tipo B Tipo C Tipo D 35-70 35-95 50-120 50-145 50-120 70-190 95-190 95-190 70-145 70-190 95-190 95-240 95-215 120-360 145-360 145-285 95-265 120-360 145-360 145-385 Till glaciar (limo, arena y grava) (medio denso a denso con cementado) 95-190 95-310 120-310 120-335 Esquistos blandos (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 205-550 - - - Pizarras y esquistos duros (moderadamente fracturado, casi sin meteorización) 515-1380 - - - Calizas (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 1035-2070 - - - Arenisca (moderadamente fracturados, casi sin meteorización) 520-1725 - - - Granito y basalto (moderadamente fracturados, casi sin 1380-4200 meteorización) Uso en Recalces de Micropilotes, Manuel Ruíz (2003) Tipo A: Inyección por gravedad solamente Tipo B: Inyección a presión, en retirada Tipo C: Inyección primaria por gravedad y una fase de inyección secundaria global a presión Tipo D: Inyección primaria por gravedad y una o mas fases de inyección secundaria global a presión - Debe observarse que es posible y bastante corriente, utilizar el método B en rocas fracturadas en el tramo final de un micropilote que atraviesa rellenos y/o suelos blandos. En ese caso el terreno tiene una resistencia última del orden del 50% mas que la que correspondería a pilotes ejecutados por el método A. ASENTAMIENTO DE LA RESISTENCIA POR EL FUSTE Suele admitirse que la resistencia por el fuste de un micropilote se moviliza totalmente con deformaciones verticales del orden del 0.5% al 1.0% del diámetro del micropilote. Puesto que los micropilotes tienen diámetros inferiores a 25 cms, los asentamientos necesarios para movilizar la resistencia por el fuste de 2 mm. Las pruebas de carga confirman que los asentamientos necesarios para movilizar totalmente la resistencia pueden ser algo mayores, pero siempre de orden milimétrico. 58 En la Fig. 1.12 (Oteo, 2001), se comparan varias pruebas de carga en micropilotes. Puede observarse que los asentamientos pueden llegar a ser del orden del 10.0% del diámetro. Los valores de la resistencia unitaria por el fuste superan siempre los 100 KN, que es el tope marcado por las inducciones y la práctica de los pilotes de desplazamiento; el incremento de resistencia por el fuste tiene dos causas: a) El diámetro real es mayor que el nominal y la resistencia por el fuste suele calcularse a partir del diámetro nominal. b) La presión / inyección, consolidan el terreno en el perímetro de la zona del bulbo. FIG. 1.12 COMPARACIÓN DE MICROPILOTES EN VARIOS TIPOS DE SUELOS 1.4.8.3.3 CIMENTACIONES PROFUNDAS 1.4.8.3.3.1 PILOTES Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y madera usados para construir cimentaciones, que son profundas y más caras que las cimentaciones superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes frecuentemente es necesario para garantizar la seguridad estructural. Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar, 59 que generalmente tienen un diámetro mayor a la de los pilotes con o sin refuerzo de acero y con o sin un fondo ampliado. Las cimentaciones con pilotes se requieren en circunstancias especiales, entre las cuales tenemos: - Cuando el estrato superior del suelo es altamente compresible y demasiado débil para soportar las cargas transmitidas por la estructura, se usan pilotes para transmitir las cargas al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más fuerte. - Cuando están sometidas a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por fricción mientras soportan a una carga vertical transmitidas por la estructura. - En muchos casos, los suelos en el sitio de una estructura propuesta pueden ser expansivos y colapsables y se pueden extender hasta una gran profundidad debajo de la superficie del terreno. Estos suelos se expanden y contraen conforme al contenido de agua (aumentan o disminuyen), y la presión de expansión de tales suelos es considerable. - Las cimentaciones de algunas estructuras como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y losas de sótano debajo del nivel freático son sometidas a fuerzas de levantamiento, recurriendo al uso de los pilotes. - Los estribos y pilas de puentes son construidos usualmente sobre cimentaciones con pilotes para evitar la posible perdida de capacidad de carga que una cimentación superficial podría padecer debido a la erosión del suelo en la superficie del terreno. PARTES DE UN PILOTE Los pilotes generalmente están construidos por tres partes: • Cabeza: parte superior del pilote, es la que recibe los golpes sucesivos del maso para su hincado. • Fuste: es el cuerpo del pilote; es una columna estructural que está fija a la punta y generalmente empotrado en la cabeza. 60 • Punta: es la parte final del contacto permanente con el suelo y se protege con un casco metálico. CLASIFICACIÓN DE LOS PILOTES • Según su forma de trabajo: - De punta: desarrollan su capacidad soportante apoyándose directamente en un estrato resistente. - De fricción: desarrollan su capacidad de carga por la fricción lateral que generan contra el suelo que lo rodea. • Según el material de los que están construidos: - Concreto (prefabricados e hincados y colados “in situ”) - Acero - Madera SEGÚN SU FORMA DE TRABAJO: a) Pilotes que trabajan de Punta: Es cuando un pilote trabaja principalmente como una columna que soporta una carga en su extremo superior y apoya su punta sobre un estrato firme (ver Fig. 1.13 a y 1.13 b). Si los registros de perforación del suelo establecen la presencia de capas de roca o material rocoso en un sitio dentro de una profundidad razonable, los pilotes se pueden extender hasta el estrato rocoso y si en vez de un lecho de roca se encuentra un estrato de suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los pilotes se extenderán unos pocos metros dentro del estrato duro. Entonces la carga última de los pilotes se expresa como: Qu = Qp + Qs donde: Qu : carga última del pilote Qp: carga tomada en la punta del pilote 61 Qs: carga tomada por la fricción superficial desarrollada lateralmente en el pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el pilote) Si Qs es muy pequeña, entonces: Qu = Qp Ecuación generad de Meyerhof (1976) para el cálculo de capacidad de carga por punta: Qp = Ap (cNc* + q´Nq* )…………… Ecuación Meyerhof donde: Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de seguridad de carga, a partir del ángulo de fricción interna del suelo (φ). TABLA 1.10 FACTORES DE SEGURIDAD DE CARGA, MEYERHOF φ Nc 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 5,14 1,00 0,00 5,38 1,09 0,07 5,63 1,20 0,15 5,90 1,31 0,24 6,19 1,43 0,34 6,49 1,57 0,45 6,81 1,72 0,57 7,16 1,88 0,71 7,53 2,06 0,86 7,92 2,25 1,03 8,35 2,47 1,22 8,80 2,71 1,44 9,28 2,97 1,69 9,81 3,26 1,97 10,37 3,59 2,29 10,98 3,94 2,65 11,63 4,34 3,06 12,34 4,77 3,53 13,10 5,26 4,07 13,93 5,80 4,68 14,83 6,40 5,39 15,82 7,07 6,20 16,88 7,82 7,13 18,05 8,66 8,20 19,32 9,60 9,44 20,72 10,66 10,88 Nq Nγ Nq/Nc tan φ 0,20 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,30 0,31 0,32 0,33 0,35 0,36 0,37 0,39 0,40 0,42 0,43 0,45 0,46 0,48 0,50 0,51 φ Nc Nq Nγ 0,00 26 22,25 11,85 12,54 0,02 27 23,94 13,20 14,47 0,03 28 25,80 14,72 16,72 0,05 29 27,86 16,44 19,34 0,07 30 30,14 18,40 22,40 0,09 31 32,67 20,63 25,99 0,11 32 35,49 23,18 30,22 0,12 33 38,64 26,09 35,19 0,14 34 42,16 29,44 41,06 0,16 35 46,12 33,30 48,03 0,48 36 50,59 37,75 56,31 0,19 37 55,63 42,92 66,19 0,21 38 61,35 48,93 78,03 0,23 39 67,87 55,96 92,25 0,25 40 75,31 64,20 109,41 0,27 41 83,86 73,90 130,22 0,29 42 93,71 85,38 155,55 0,31 43 105,11 99,02 186,54 0,32 44 118,37 115,31 224,64 0,34 45 133,88 134,88 271,76 0,36 46 152,10 158,51 330,35 0,38 47 173,64 187,21 403,67 0,40 48 199,26 222,31 496,01 0,42 49 229,93 265,51 613,16 0,45 50 266,89 319,07 762,89 0,47 Braja M. Das, 2001 62 Nq/Nc tan φ 0,53 0,55 0,57 0,59 0,61 0,63 0,65 0,68 0,70 0,72 0,75 0,77 0,80 0,82 0,85 0,88 0,91 0,94 0,97 1,01 1,04 1,08 1,12 1,15 1,20 0,49 0,51 0,53 0,55 0,58 0,60 0,62 0,65 0,67 0,70 0,73 0,75 0,78 0,81 0,84 0,87 0,90 0,93 0,97 1,00 1,04 1,07 1,11 1,15 1,19 Ecuación general de capacidad de carga del pilote según Terzaghi: Rp = B² (cNc* + γDfNq* + 0.4γBNγ*)………….Pilotes cuadrados Rp = Πr² (cNc* + γDfNq* + 0.6rγNγ*)…………..Pilotes circulares donde: Rp: resistencia del pilote c: cohesión del suelo γ: peso específico del suelo Df: profundidad de desplante de la cimentación B: base del pilote Πr²: área del pilote NcNq Nγ: factores de seguridad de carga adimensionales que son únicamente funciones del ángulo de fricción del suelo b) Pilotes que trabajan por Fricción: Estos trabajan cuando no se tiene un estrato de roca o de material rocoso a una profundidad considerable. Estos pilotes resultan muy largos y antieconómicos, para este tipo de condición del subsuelo, los pilotes se hincan a través de materiales más blandos a profundidades específicas. La carga última de estos pilotes es expresada por la ecuación: Qu = Qs Esta fórmula se expresaría así, si el valor de Qp es relativamente pequeño (ver figura 1.13 c). Ecuación general para el cálculo de resistencia por fricción: Qs = Σ p ΔLf donde: Qs: carga tomada por la fricción p: perímetro de la sección del pilote. ΔL: longitud incremental del pilote sobre la cual “p” y “f” se consideran ctes. F: resistencia unitaria por fricción a cualquier profundidad. 63 FIG. 1.13 DISTRIBUCIÓN DE CAPACIDAD DE CARGA FACTOR DE SEGURIDAD GLOBAL Para contar con una razonable seguridad en los diseños y construcción de cimientos profundos, que aseguren que la estructura esté libre de daños, pérdidas y riesgos inaceptables. En los análisis geotécnicos de estabilidad se introduce el concepto de Factor de Seguridad Global, este factor se puede definir como la relación de la resistencia de la cimentación dividida entre los efectos de las cargas aplicadas. Los principales parámetros que afectan el margen de seguridad en la ingeniería de cimentaciones son: la variabilidad de carga, el efecto de éstas y la resistencia del suelo (Meyerhof 1970). Se acostumbran rangos de factor de seguridad global comprendidos entre 2 y 3; el valor superior se aplica a condiciones de carga y de servicios normales, mientras que el menor al caso de cargas máximas y en las peores condiciones ambientales. 64 Según el enfoque de factor de seguridad global, para obtener la carga admisible de un pilote o pila, se divide la resistencia o capacidad de carga última entre un determinado factor de seguridad. Pueden requerirse factores de seguridad grandes cuando las condiciones del suelo son muy variables o si la investigación del subsuelo es insuficiente, así como para el caso de pilotes en arcillas o de elementos en suelos arenosos o limos sueltos, donde la capacidad de carga puede disminuir con el tiempo. Qadm = Qp / FS Donde: Qadm : capacidad de carga admisible del pilote. Qp: resistencia en la punta del pilote FS: Factor de seguridad SEGÚN EL MATERIAL DE LOS QUE ESTÁN CONSTRUIDOS: PILOTES DE CONCRETO Se utilizan para soportar cargas pesadas, cuando se quiere que tenga una larga duración y hay temor de que haya variaciones en el nivel del agua subterránea. En relación a esto último esta es una de sus cualidades que puede emplearse por encima del nivel freático, en esta forma se logra a veces un ahorro notable, porque se reduce el volumen de la excavación y el de concreto a poner en su fundación. Su longitud es variable y la sección puede ser cuadrada, octogonal, rectangular y circular. Por la forma de colocación y construcción, los pilotes de concreto pueden ser: prefabricados e hincados ó colados en “in situ”. - Pilotes prefabricados e hincados: Pueden hincarse en estratos compactos, sin peligro de rotura, salvo casos relativamente raros (terrenos de alubión con grandes piedras o terrenos arenosos muy compactos que exigen una perforación del pilote). 65 Características Generales: Los pilotes de concreto prefabricados e hincados generalmente pueden construirse de formas circulares, cuadradas y hexagonales (Fig. 1.14); la longitud de estos puede variar hasta alcanzar los 30 mts y sobrepasarlos ya que la longitud depende esencialmente de la naturaleza del terreno en que han de ser hincados y de la carga que deben soportar. Sus dimensiones trasversales varían de 0.30 a 0.60 mts, por su peso que es muy considerable, pueden hincarse verticales o inclinados. Se admite como longitud limite 50 veces la dimensión transversal más pequeña; pero se puede llegar hasta 80 veces esta dimensión. L = 80 b Es necesario disponer de aparatos de mantenimiento y de maquinarias y equipo apropiados para la hinca de los pilotes, de lo contrario es necesario proceder al empalmado, operación que consiste un pilote a continuación de otro (caso que es remoto ya que se cuenta en nuestro país con la maquinaria y el equipo necesario, generalmente las profundidades en nuestro país oscilan entre 20 mts) Los pilotes prefabricados también son Preforzados usando acero de alta resistencia. La resistencia última del acero es aproximadamente 1,800 MN/m². Durante el colado de estos pilotes, el acero es pretensado desde 900 a 1,300 MN/m², y se vierte el concreto alrededor de ellos. Después del curado se cortan, produciendo así una fuerza de compresión sobre la sección del pilote. Fig. 1.14 SECCION TRANSVERSAL DE PILOTES DE CONCRETO 66 Ventajas de los pilotes prefabricados e hincados. - Presentan resistencia a los ataques químicos y biológicos. - Capacidad soportante muy alta. - Si el estrato en que se hincan los pilotes es duro, se podrá hacer uso de inyección de agua, a lo largo de el centro del pilote se colocara un tubo que permita el paso del liquido. - Como son pilotes hincados, en un estrato de suelo friccionante pueden llegar a alcanzar elevadas resistencias por fricción. - Puede ahorrarse tiempo y dinero, pues su hincado es rápido. - Son inherentemente duraderos, salvo en el caso de que el suelo contenga ácidos. - Resistencia a la flexión. Desventajas de los pilotes prefabricados e hincados. - Es difícil aumentar o reducir su largo. - Los tamaños grandes precisan para su manejo e hincado, un equipo y maquinaria pesada y cara. - El comienzo de una obra puede demorarse al no ser posible obtener los pilotes mediante compra. - Las posibles roturas que se presentan en el transporte, manejo e hincado, constituyen una amenaza de atraso de la construcción. - El transporte puede ser costoso, principalmente cuando el numero de pilotes a emplear es pequeño y hay que organizar un equipo especial para cargar y descarga de estos elementos. - Pilotes colados “in situ”: son pilotes excavados en los que se abre un agujero con una perforadora ya sea la dimensión que se necesite para luego proceder a la colocación de el acero estructural y luego se llena este con concreto (ver fig. 1.15). La forma de soportar las cargas puede ser por fricción o de punta. Características Generales: 67 Existen una gran variedad de tipos de pilotes colados “in situ” la gran mayoría sujetos a patentes. En general podemos decir que estos tienen las siguientes ventajas: - No necesitan espacio de almacenaje. - No necesitan equipo y maquinaria para su manejo. - No sufren daños por maniobras de manejo e hincado. Sin embargo estos pilotes deben estar sometidos a una constante supervisión por parte del Ingeniero o el encargado de la obra, pues deben tomarse ciertas precauciones en el colado y la colocación de la armadura, para lograr que este alcance su resistencia de diseño. Los pilotes colados “in situ” se dividen en dos tipos: 1- Con tubo recuperable o sin ademado permanente. 2- Con tubo o ademado permanente. Los pilotes con tubos recuperables se usan en los siguientes casos: • Cuando la excavación no corre peligro de cerrarse o derrumbarse. • Donde el agua no llega a la excavación. • Cuando no se perjudique a un pilote recién construidos, al hacer las excavaciones para los pilotes vecinos. Los pilotes con tubos permanentes se usan en los lugares donde no existen los inconvenientes antes mencionados. El ademe permanente es generalmente de lámina delgada corrugada, en Bogotá (Colombia) se han usado tubos de asbesto cemento, en nuestro país se utilizan tubos de hierro galvanizados y tubos de PVC. A continuación se describen los tipos más comunes de pilotes utilizados, que se muestran en la siguiente tabla 1.11: 68 TABLA 1.11 DIFERENTES TIPOS DE PILOTE DE CONCRETO TIPOS DE PILOTES DESCRIPCION VENTAJAS DESVENTAJAS UTILIZACION Pilotes mega Formados por la unión de elementos prefabricados de concreto Puede usarse en espacios limitados y con equipo reducido Son patentados Son utilizados para recalces. Pilotes simplex Formado con tubo de punta irrecuperable y de concreto, se saca después del tubo Como no va armado puede ser mas económico Por no tener armadura puede fallar por tensión Se usan en edificios pequeños Trabaja bien cuando interviene la fricción negativa Por ser patentados hay Se utilizan sobretodo que pagar el derecho cuando el pilote trabaja de usarlos por punta Es muy resistente. Se necesita equipo adicional para su construcción Pueden usarse en una variedad de edificaciones El concreto para este tipo se vibra. Se necesita equipo especial para su construcción Como lleva armadura es muy resistente y puede usarse en edificaciones grandes Es resistente por su base ensanchada Son patentados. Es usado en diversidad de edificaciones Se hincan los tubos en terrenos rocosos Como son hincados producen vibraciones que pueden dañar a los pilotes adyacentes Se utiliza para atravesar estratos de terrenos de gran resistencia Por no recuperar el tubo, tienen un costo alto Es de múltiples usos. Su hincado puede producir vibraciones dañinas Se utiliza en zonas de estrato resistente, pueden llevar armadura longitudinal SIN ADEME PERMANENTE Pilotes simplex de bulbo Pilotes express Pilote vibro Pilote franki Se construye valiéndose de tubo recuperable formando un bulbo de concreto en la punta Se fabrica usando un tubo recuperable, el concreto se comprime con mazo manejado con bomba Se hinca el tubo luego se rellena de concreto, se saca el tubo con equipo especial Se hinca el tubo, se concretea la base ensanchada, se rellena el fuste y se extrae el tubo que tiene un tapón CON ADEME PERMANENTE Pilote button bottom Pilote cobi Pilote raimond estándar Se hinca el tubo hasta el lechazo con punta de hormigón prefabricado, se rellena el tubo y se extrae La envolvente los Con mandril neumático protege de cualquier se hinca la envolvente corrimiento de tierra y se rellena de hasta alcanzar su concreto resistencia Economía por la Se hinca una chapa de conicidad del pilote, acero con mandril, se posibilidad de retira el mandril y se hincarlos en rellena de concreto terrenos duros, Braja M. Das,2001 / Peck,1994 Ventajas de los pilotes de concreto. - Los tubos livianos pueden manipularse e hincarse fácilmente. - Las variaciones de longitud no constituyen un problema serio, pues el largo del caño puede variarse. - Los tubos pueden retirarse en trozos cortos y armarse en la obra. 69 - Se economiza dinero al eliminar el exceso de refuerzo, el cual se coloca para soportar los esfuerzos de manipuleo. - Se puede formar un extremo ensanchado en la base. Desventajas de los pilotes de concreto. - Un pequeño corrimiento de tierra alrededor del pilote sin reforzar puede quebrarlo. - Un empuje hacia arriba, actuando sobre el fuste de un pilote sin camisa permanente, ni el refuerzo puede destruirlo al hacerlo trabajar a tensión. - La mayoría de este tipo son patentados. - La mayor parte de este tipo de tubos hay que importarlos.. - No puede usarse en estructuras de ríos o marítimas, sin una adaptación especial. - Podría ocurrir estrangulamiento, en suelos derrumbables, a menos que se tenga un gran cuidado cuando se llene el fuste con concreto. - Es difícil efectuar un buen colado si el tubo del pilote se llena de agua, a no ser que se emplee aire comprimido. 70 FIG. 1.15 UTILIZACIÓN DE TIPOS DE PILOTES donde: (a, b, c, d, e): utilización de ademe (f, g): sin ademe PILOTES DE ACERO Los pilotes de acero ó metálicos, debido a su alta resistencia, son capaces de absorber grandes esfuerzos de flexión y de cortante con secciones de áreas pequeñas. El acero que se utiliza existe en varias categorías, de acuerdo a la resistencia que pueden desarrollar. Debido al riguroso control de la calidad en la fabricación, las propiedades estructurales están bien definidas, por lo que al asignarle los esfuerzos permisibles, los resultados obtenidos son confiables. Con pilotes de acero es posible atravesar estratos duros con relativa facilidad sin que se dañen; también, por el poco volumen del terreno que desplazan durante el hincado, se reducen los riesgos de que ocurra levantamiento de terreno que pueda arrastrar pilotes hincados previamente. 71 Se pueden alcanzar profundidades considerables, hasta 60 mts, y se pueden transmitir grandes cargas hasta 60 toneladas con secciones normales y hasta más de 300 toneladas con secciones compuestas. Existen varias secciones de pilotes de acero, entre las más usuales están: las “I”, “H”, y Tubulares. Las secciones “I” ó “H” (Fig. 1.16), si no están apoyadas en un estrato resistente o en roca desarrollan su capacidad de carga por fricción, porque poseen un área lateral bastante grande; mientras que las Tubulares pueden desarrollar una capacidad por la punta muy elevada, ya sea porque se coloque una tapadera metálica en la punta ó porque el terreno que se aprisiona dentro del tubo forma un tapón y realiza la misma función que la tapadera metálica. Ventajas de los pilotes de acero. - Resistencia elevada a la compresión y a la flexión. - Posibilidad de alcanzar grandes profundidades mediante soldadura de elementos metálicos con otros. - Posibilidad de atravesar estratos resistentes. - Soportan todas las fuerzas y golpes que se les aplica durante el hincado. - Tienen mayor maniobrabilidad y menor requerimiento de espacio durante la colocación. Desventajas de los pilotes de acero. - Ciertos estudios demuestran que pueden haber pérdida de espesor por la corrosión, dañinas a la capacidad soportante del pilote. - Para que sean durables necesitan tratamientos o revestimientos. - Se incrementa el costo, debido al tipo de maquinaria que se utiliza para el hincado. - Material relativamente caro. - Alto nivel de ruido durante el hincado. 72 FIG. 1.16 SECCIÓN TRANSVERSAL DE PILOTES DE ACERO PILOTES DE MADERA A diferencia de otros materiales de construcción, la madera no es un producto elaborado, sino orgánico que generalmente se usa en su estado natural. La resistencia estructural de la madera depende de su densidad, sus defectos naturales y del contenido de humedad. El crecimiento transversal de un árbol se verifica de adentro hacia fuera, es decir, que se van formando una serie de anillos concéntricos a medida que transcurre el tiempo; la banda extrema de anillos situada detrás de la corteza se le llama albura y las bandas interiores son llamadas duramen. La albura está formada por células vivas y por ella se conduce a sabia desde la raíz hasta las hojas; el duramen está formado por células inactivas. La madera de albura es menos resistente que la de duramen, pero es muy útil por su poder absorbente cuando la madera va a ser tratada para su preservación. Los pilotes de madera son en general troncos de árboles a los que se les ha quitado las ramas y la corteza. La longitud máxima de la mayoría de estos pilotes es entre 10 y 20 mts. Para calificar como pilotes, la madera debe estar recta, sana y sin defectos. El Manual de Práctica No.17 (1959), de la American Society of Civil Engineers, divide los pilotes de madera en tres clases: 73 - Clase A: soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del extremo más grueso (cabeza) debe ser de 356 mm. - Clase B: se usan para soportar cargas medias. El diámetro mínimo de la cabeza debe ser entre 305 y 330 mm. - Clase C: se usan en trabajos provisionales de construcción, se emplean permanentemente para estructuras cuando todo el pilote está debajo del nivel freático. El diámetro mínimo de la cabeza debe ser 305 mm. En todo caso, una punta de pilote debe tener un diámetro no menor de 150 mm. Los pilotes de madera no pueden resistir altos esfuerzos de hincado; por lo tanto, la capacidad del pilote es por lo general limitada aproximadamente a un valor entre 220 y 270 KN. La parte superior de los pilotes de madera también se pueden dañar durante la operación del hincado, para evitar daños a la parte superior del pilote se usa una banda o capuchón metálico. El agrietamiento de las fibras de madera causado por el impacto del martillo se denomina Astillado. El empalme de los pilotes de madera debe evitarse (Fig. 1.17), particularmente cuando de espera que soporten cargas de tensión o carga lateral; sin embargo, si el empalme es necesario, este se hace usando camisas de tubo o fajas metálicas y pernos. La longitud de la camisa del tubo debe ser por lo menos 5 veces el diámetro del pilote. Los extremos a tope deben ser cortados a escuadra, de tal manera que se mantenga un contacto pleno. Las porciones empalmadas deben ser cuidadosamente desvastadas de manera que se ajuste estrechamente al interior de la camisa del tubo. En el caso de fajas metálicas y pernos, los extremos a tope deben también ser cortados a escuadra. Además, los lados de la porción empalmada deben desbastarse para poder ser colocadas las fajas. Ventajas de los pilotes de madera. - Facilidad de manipulación y transporte. - Se pueden cortar a la longitud requerida, una vez hincados. - Pueden deshincarse con facilidad. - Es fácil obtener las longitudes y secciones que se usarán (en algunos casos). 74 Desventajas de los pilotes de madera. - Dificultad de obtener troncos largos y rectos. - Sus puntas y cabezas pueden dañarse al hincarse. - En suelos duros penetran dañándose o no penetran. - Necesidad ardua de trabajo para empalmarlos, con el fin de aumentar su longitud. - Corta duración, a menos que sean tratados con preservantes. - No pueden usarse por sobre el nivel freático, pues se pudren. FIG. 1.17 EMPALME DE PILOTES DE MADERA 1.4.8.3.3.2 PILAS DE CONCRETO En la ingeniería de cimentación el término Pila tiene dos significados diferentes: • Una pila es un miembro estructural subterráneo que tiene la función igual al de una zapata, es decir, transmitir las cargas a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo. Sin embargo, en 75 contraste con una zapata, la relación de la profundidad y del ancho de una pila de cimentación es mucho mayor que el de una zapata. • Una pila es el apoyo, generalmente de concreto o de mampostería para la superestructura de un puente. Usualmente la pila sobresale de la superficie del terreno, y comúnmente se prolonga a través de una masa de agua hasta un nivel superior al de las aguas máximas. De acuerdo con esta definición puede considerarse la pila en sí, como una estructura, que a su vez debe estar apoyada en una cimentación adecuada. La base de una pila puede descansar directamente en un estrato firme, o puede estar apoyada en pilotes o micropilotes. Un cuerpo de pila situado en el extremo de un puente y sujeto al empuje de la tierra se denomina “estribo”. Las pilas se clasifican de acuerdo con la manera de transmitir la carga estructural al suelo adyacente (ver fig. 1.18). Pueden ser: - Pila de eje recto: se extienden a través de un estrato superior de suelo pobre, y su punta descansa sobre un estrato de suelo, con fuerte capacidad de carga o en roca. La pila se adema con tubos de acero cuando se requiere (como los pilotes), para estas pilas, la resistencia de la carga aplicada se desarrolla en la punta y también en la fricción lateral en el perímetro del fuste e interfaz del suelo. Las pilas rectas también se extienden en un estrato de roca subyacente. - Pila de campana: consiste en una pila recta con una campana en el fondo que descansa sobre el suelo de buena capacidad de carga. La campana se construye en forma de domo ó con lados inclinados. Para este caso los trépanos comercialmente disponibles forman ángulos de 30º y 45º con la vertical. Ecuación general para el cálculo de capacidad de carga: Qp = Ap (cNc* + q´Nq* + 0.3γDbNγ*) donde: Qp: capacidad de carga de la pila Ap: área de la punta de la pila c: cohesión del suelo que soporta la punta de la pila q´: esfuerzo vertical efectivo al nivel del fondo de la pila perforada Nc*, Nq* Nγ*: factores de capacidad de carga γ: densidad Db: diámetro de la base 76 Las pilas perforadas son pilas coladas en el lugar y que generalmente tienen un diámetro aproximadamente de 750 mm ó más. El uso de cimentaciones con pilas perforadas tiene las siguientes ventajas: - Se puede usar una sola pila de concreto en vez de un grupo de pilotes. - Se construyen antes que las operaciones de nivelación estén completas. - Cuando se hincan pilotes con un martinete, las vibraciones del terreno ocasionan daños a estructuras cercanas, lo que no ocurre con las pilas. - No hay ruido de martilleo durante su construcción. - Como la base de una pila de concreto puede ampliarse, esto proporciona una gran resistencia a la carga de levantamiento. - La superficie sobre la cual la base de la pila se construye, puede ser inspeccionada visualmente. - Las pilas de concreto tienen alta resistencia a las cargas laterales. FIG. 1.18 TIPOS DE PILA 77 CAPITULO 2 ESTUDIO DE LAS ZONAS CON SUELOS COMPRESIBLES 2.1 RECOPILACIÒN Y CLASIFICACIÒN DE ENSAYOS DE LABORATORIO Para determinar las zonas con suelos compresibles en la ciudad de San Miguel*, se ha realizado la recopilación de sondeos (SPT) existentes en el Departamento de Ingeniería de la Alcaldía Municipal de San Miguel, el cual solicita dichos estudios como requisito para la construcción de una obra civil**. Los estudios de suelos recopilados han sido solicitados por personas naturales o jurídicas a los distintos laboratorios autorizados que prestan sus servicios en nuestro país, entre los cuales tenemos: Suelos y Materiales S.A. de C.V, Geoconsa S.A. de C.V., Rivera Harrouch S.A., Ingenieros Civiles Asociados S.A. de C.V., Servicios Profesionales Berganza Ingenieros Arquitectos S.A. de C.V., Instituto Tecnológico Centroamericano, GEOINTEC, Consultora Técnica S.A., y otros. Estas pruebas determinan las características y propiedades de los suelos encontrados, estableciendo de alguna manera las posibles soluciones y recomendaciones que se deben considerar para la cimentación. Entre los ensayos comúnmente efectuados para determinar las características y propiedades del suelo para la cimentación, están: - Límites de Atterberg, ASTM D-4318 - Clasificación de suelos, ASTM D-3282 - Proctor Estándar, ASTM D-698 - Prueba de Penetración Estándar, ASTM D-1586 * Ver representación gráfica en Mapa de Macrolocalización de los sondeos recopilados. ** Requisito necesario para edificaciones mayores de dos niveles. 78 Los sondeos recopilados fueron realizados entre el 10 de marzo de 1990 hasta el 23 de diciembre de 2002, haciendo un total de 67 ensayos de Penetración Estándar. En esta investigación las zonas en estudio de la ciudad de San Miguel se encuentran comprendidas en tres áreas: - Área Urbana: es aquella extensión de suelo afectada por el desarrollo urbano actual, prevista para absorber el crecimiento de la ciudad. Al mismo tiempo son los suelos que están constituidos por un centro poblado que goza de todos los servicios públicos. - Área Semiurbana: es la extensión de suelos aledaños a los urbanos que goza de la factibilidad de dotación de servicios públicos, de acuerdo al plan de desarrollo urbano. - Área Potencialmente Urbana: es la extensión de suelos aledaños a los semiurbanos que gozan o no de algún tipo de servicio público, en los cuales se prevé un crecimiento urbano de acuerdo al plan de desarrollo. A continuación se detallan las etapas para la realización de la estratigrafía encontrada de los estudios de laboratorio: - Etapa 1, Ubicación de sondeos: se realizó la ubicación de cada uno de los ensayos en el mapa de macrolocalización de la ciudad de San Miguel (Instituto Geográfico Nacional, hoja 2556 II NW, Escala 1:7,500). - Etapa 2, Digitalización de datos: se procedió a la realización de una tabla en modelo digital para establecer: nombre del proyecto, ubicación, número de sondeos (valores de N), profundidad de sondeos y estratigrafía encontrada (ver Anexo N-1). - Etapa 3, Trazado de ejes: la ciudad de San Miguel fue divida en cuatro cuadrantes, tomando como referencia los ejes y prolongaciones de la Calle Chaparrastique y la Av. José Simeón Cañas, esta información es proporcionada por la Alcaldía Municipal de San Miguel, razón por la cual se establecieron de esta manera en la investigación cuatro zonas. 79 - Etapa 4, Nomenclatura: para la identificación de las zonas, se procedió a su nomenclatura, llamándose Zona 1, la ubicada al suroeste de los ejes establecidos. Tomando como referencia esta zona y en sentido horario se procedió a nombrar las demás zonas. Determinando como Zona 2, la ubicada al noroeste de los ejes; Zona 3 ubicada al noreste y Zona 4 ubicada al sureste. - Etapa 5, Promedios Estratigráficos: una vez establecidas las zonas se ordenaron los estudios de laboratorio debidamente zonificados, obteniendo de cada uno de los ensayos el tipo de estratigrafía promedio (@ 1.0 mt) a una profundidad variable de 0.0 a 9.0 mts. (Ver Anexo N-1) - Etapa 6, Estratigrafía Final Zona 1: para obtener el promedio estratigráfico final de la clasificación y número de golpes N, se inició con la Zona 1 de la siguiente manera: con los promedios obtenidos en la etapa 5, se ordenaron cada uno de ellos de forma horizontal (promedios) relacionados con la profundidad, dando como resultado una tabla final de clasificación de suelos de la zona y el número de golpes N. (Ver tabla clasificación de suelos, pág.81) - Etapa 7, Estratigrafía Final Zonas 2 a 4: para el promedio estratigráfico final de las Zonas 2, 3 y 4 se hizo el mismo procedimiento anterior. (Ver tablas clasificación de suelos, págs.83,85,87) - Etapa 8, Mapa de Zonificación Promedio: como una representación gráfica de la estratigrafía final encontrada en las cuatro zonas, se procedió a realizar un Mapa de Zonificación de suelos de la ciudad, tomando como referencia los mapas de macrolocalización de ubicación de sondeos recopilados. Luego se definieron las clasificaciones predominantes por cada ensayo en toda su profundidad e identificando finalmente el suelo de las zonas. 80 2.1.1 CONCLUSIONES DE LAS ZONAS DE ACUERDO A LOS ENSAYOS RECOPILADOS De acuerdo a los ensayos de laboratorio recopilados y debidamente zonificados entre los límites establecidos, se ha logrado determinar lo siguiente: - Se ha podido observar con el promedio estratigráfico de cada una de las zonas, la presencia de material arcilloso en combinación con limos y arenas, que son de más representatividad en todas las zonas y variables en relación a su profundidad. - En relación al promedio de los “N” (resistencia a la penetración) de cada zona, se han obtenido valores satisfactorios para cimentaciones superficiales a una profundidad de 2.0 mts. - Con los datos obtenidos, se determina que en la zona 2, se encuentran los suelos más desfavorables o compresibles, para la cimentación, por lo que es la que nos puede dar mayor problema en la construcción de grandes estructuras, y es en esta zona donde se han utilizado la mayor cantidad de pilotes en la ciudad de San Miguel. - Para la zona 1, 3 y 4, los desplantes en la excavación deberán de andar por el orden de 1.0 mt, para poder sobrepasar los suelos sueltos de la superficie, que se encuentran a esa profundidad. - Para zonas antes mencionadas, se puede optar por otra alternativa, que es de sustituir los suelos sueltos por material adecuado y compactado ó estabilizado. - Por falta de estudios de laboratorio en todas las zonas, no se puede considerar la información de los promedios estratigráficos para realizar cimentaciones, sino que se debe tomar ésta, como parámetros del posible material a encontrar y su resistencia a la penetración. - Se recomienda al constructor, realizar estudios de laboratorio en los lugares donde se pretenda cimentar, asegurando con esto el tipo de cimentación adecuada a emplearse. 90 2.2 ENSAYOS REQUERIDOS PARA LA PROPUESTA DE DISEÑO Como parte de esta investigación, se ha requerido para el diseño de cimentaciones profundas, la realización de pruebas de laboratorio mediante sondeos de Penetración Estándar (SPT) normalizados por ASTM D1586-92. Este tipo de sondeo consiste en introducir un toma muestras al interior de un sondeo realizado previamente, determinando la resistencia del suelo a la penetración, al tiempo que permite obtener una muestra representativa para su investigación. Los ensayos fueron realizados por el laboratorio “Ingenieros Civiles y Asociados, S.A. DE C.V. (ICIA)”, en los siguientes lugares previamente establecidos*: a) Sondeo S-1, correspondiente a la zona 4, fue realizado en la colonia Carrillo, en la carretera que conduce de ciudad de San Miguel a La Unión, a 1 Km de la salida del Puente Luis de Moscoso y a 15.90 mts perpendicular al borde de la carretera en el lado derecho. b) Sondeo S-2, correspondiente a la zona 1, fue realizado en el Centro de Gobierno Municipal de San Miguel, en las cercanías de la cancha de fútbol y construcción existente, ubicado a 18.70 mts al norte de la caseta y a 4.50 mts al sur en dirección al cordón de concreto simple. c) Sondeo S-3 y S-3A, correspondiente a la zona 3, realizados en predio valdío colindante a la carretera que conduce de San Miguel a Santa Rosa de Lima, frente a Resortes de Oriente, el sondeo S-3 está ubicado 30 mts al norte y perpendicular al borde de la carretera y el sondeo S-3A. ubicado en la misma dirección y a 1.50 del sondeo S-3. d) Sondeo S-4, correspondiente a la zona 2, ubicado en la Lotificación El Obrajuelo en el Km.131 de la Carretera Panamericana CA:1, a 35 mts perpendicular al borde izquierdo de la carretera. e) Sondeo S-5, correspondiente a la zona 1, ubicado en el Hotel Trópico Inn. * Ver anexo N-2, Ensayos SPT para las Zonas en Estudio. 91 Para la determinación de la ubicación de estos ensayos* que servirán para nuestro diseño tipo de cimentaciones, se recurrió al Plan Maestro de Desarrollo Urbano de la Ciudad de San Miguel (PADCO-ESCO), establecido para los años de 1996 al 2015, el cual comprende el desarrollo zonificado de acuerdo al uso del suelo existente. A continuación se muestra el Mapa de Uso del Suelo elaborado por la empresa SISM/SIG: * Ver anexo N-3, Ubicación Espacial de Sondeos SPT en San Miguel. 92 En relación al mapa mostrado anteriormente, los sondeos realizados en cada una de las zonas*, corresponden de acuerdo al uso del suelo, de la siguiente manera: - Zona 1: sondeo S-2, ubicado en el Centro de Gobierno, tenderá a ser usado para el desarrollo de tipo Institucional. Sondeo S-5, ubicado en el Hotel Trópico Inn, tenderá a ser usado para el desarrollo de tipo Comercial, con lo cual se comprueba el comercio actual en esta zona, que podrá ser usado para construcciones nuevas, remodelaciones y otros. - Zona 2: sondeo S-4, ubicado en Lotificación El Obrajuelo. Este sondeo queda fuera de nuestra zona de estudio, ya que donde fue realizado corresponde al Municipio de Quelepa. Actualmente en este sector se está generando la industria, por lo que se ha proyectado de acuerdo a las condiciones del lugar un desarrollo de tipo Industrial. - Zona 3: sondeo S-3 y S-3A., ubicados frente a Resortes de Oriente, tenderá a ser usado para el desarrollo de tipo Residencial Media o Agrícola. - Zona 4: sondeo S-1, ubicado en la colonia Carrillo, es en esta parte de la zona donde se prevé un desarrollo del suelo de tipo Industrial, ya que se espera un mayor comercio entre los departamentos de San Miguel y La Unión debido a la construcción del Puerto de Cutuco. 2.3 RESULTADOS OBTENIDOS Se realizaron 5 sondeos del tipo Penetración Estándar (SPT), a una profundidad de exploración variable máxima entre 2.50m y 6.50m., con este tipo de ensayos se establece la resistencia del suelo (valor de “N” golpes/30cm), así como se obtiene un muestreo continuo del mismo. Las muestras recuperadas fueron trasladadas al laboratorio para sus respectivos análisis. 93 El tipo de material predominante obtenido en cada uno de los sondeos fue*: - Zona 1, sondeo S-2: arena limosa café oscuro con gravilla (SC) a una profundidad de 0.50 a 5.0m.. S-5: arena arcillosa café oscuro (SC) y arena limosa café oscuro con restos de roca (SM), a una profundidad de 0.5 a 3.0m y de 3.0 a 4.5m, respectivamente. FOTOGRAFIA 2.0 ZONA 1 SPT, Centro de Gobierno. San Miguel, 2004. 94 - Zona 2, sondeo S-4: arena arcillosa café oscuro, saturada (SC) y arena mal graduada saturada (SP); a una profundidad de 1.0 a 4.0m y 4.0 a 5.0m, respectivamente. FOTOGRAFIA 2.1 ZONA 2 Notificación El Obrajuelo Km.131. San Miguel, Quelepa. 95 - Zona 3, sondeo S-3 y S-3A.: arcilla arenosa café oscuro de alta plasticidad (CH) y limo arcilloso café oscuro de alta plasticidad (MH); a una profundidad de 0.0 a 1.0m y de 1.0 a 2.0m, respectivamente. FOTOGRAFIA 2.2 ZONA 3 Material arcilloso predominante, frente Resortes de Oriente. Colonia La Carmenza, San Miguel. 96 - Zona 4, sondeo S-1: limo arenoso café oscuro de alta plasticidad (MH) a una profundidad de 1.0 a 6.0m. FOTOGRAFIA 2.3 ZONA 4 Recuperación de material. Colonia Carrillo, San Miguel. A continuación se presenta en la tabla 2.0 el resumen de la Capacidad de carga admisible y resistencia no confinada del subsuelo, la cual deberá considerada en el diseño de cimentaciones profundas: * Ver anexo N-2, Ensayos SPT para las Zonas en Estudio. 97 TABLA 2.0 RESULTADOS CAPACIDADES DE CARGA ADMISIBLES. Profundidad Sondeos (mts) S-1 S-2 S-3 S-3A S-4 S-5 0.50 0.4 1.7 1.2 1.3 4.3 0.6 1.00 0.3 1.3 4.0 3.2 4.0 1.2 1.50 1.0 0.8 4.0 4.0 1.9 0.9 2.00 1.7 1.3 4.0 4.0 1.1 2.0 2.50 2.7 1.9 4.0 4.0 0.7 0.7 3.00 3.7 4.8 0.5 1.0 3.50 4.0 2.6 0.5 0.6 4.00 4.0 3.0 5.0 3.5 4.50 3.1 4.6 5.0 5.0 5.00 3.6 5.0 5.0 5.0 5.50 4.0 5.0 5.0 6.00 4.0 6.50 4.0 Capacidades de Carga, Kg/cm² según la profundidad de penetración. El cálculo de las capacidades de carga establecidas en la tabla anterior, fueron realizados por el laboratorio de Ingenieros Civiles y Asociados, S.A. de C.V.; determinando en cada uno de los estratos la capacidad máxima de la resistencia a la penetración, en los sondeos realizados. 98 CAPITULO 3 DISEÑO Y PROCESOS CONSTRUCTIVOS 3.1 DISEÑO TIPO DE PILOTES Para el diseño tipo de pilotes, se ha basado la investigación en los resultados de laboratorio proporcionados por ICIA S.A. de C.V. (Anexo N-2), encontrándose como la zona 1, ubicada en El Centro de Gobierno, como la que reúne las condiciones más desfavorables y en consecuencia el uso de pilotaje para la construcción de un edificio de cuatro o más niveles. Al mismo tiempo se realizarán dos diseños adicionales, los cuales se realizarán en la zonas 2 y 3, conforme a los ensayos recopilados en el Departamento de Ingeniería de la Alcaldía Municipal de San Miguel. 3.1.1 RESISTENCIA DEL PILOTE En los datos obtenidos mediante los sondeos de penetración estándar para la zona 1, encontramos la presencia de material arcilloso en los distintos estratos, por lo que, de acuerdo a esas condiciones, procederemos al cálculo de la resistencia por punta del pilote, según Meyerhof (1976, presenta la ecuación en forma matemática análoga a la de Terzaghi, a partir de un mecanismo de falla distinto. La diferencia radica principalmente en el cálculo de los factores de seguridad): EJEMPLO PARA LA ZONA 1: Se utiliza la fórmula de resistencia de la punta del pilote, asumiendo que el pilote colado in situ tiene un funcionamiento similar, ya que se apoya sobre un suelo firme. De la Ecuación Meyerhof, Capítulo 2, pág. 62, tenemos: Qp = Ap (cNc* + q´Nq*) 99 donde: Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de capacidad de carga Datos: • En el estudio de suelos ICIA S.A. DE C.V. (Anexo N-2), se recomienda el diámetro del pilote igual a 30 cms, por lo que: D = 0.30 m, diámetro del pilote • Cálculo de área del pilote: Ap = πD²/4 Donde: Ap = área del pilote π = 3.1416 D = diámetro del pilote = 0.30 m Sustituyendo en ecuación: Ap = 3.1416 (0.30m)² / 4 = 0.0706 m² • Cálculo de la cohesión, de acuerdo a la fórmula empírica utilizada por los laboratorios nacionales basada en los ensayos y experiencias realizadas en el país. c = Qu / 2 Donde: c = cohesión del suelo Qu = 5 kg/cm², capacidad última de carga del suelo donde se apoyará el pilote. (Ver tabla 2.0, pág. 98, sondeo S-2) Sustituyendo en ecuación tenemos: c = 5 kg/cm² / 2 = 25,000 kg/m² 100 • Para el cálculo del ángulo de fricción interna del suelo, se utilizan los valores propuestos para arcillas en condiciones consolidadas (ver tabla 1.3, pág. 28). Ø = 30° • Los factores de seguridad de carga de Meyerhof, han sido tomados de acuerdo al ángulo de fricción interna del suelo y son adimensionales, por lo que se tiene (ver tabla 1.10, pág. 62): Nc* = 30.14 Nq* = 18.40 • La profundidad de desplante ó longitud del pilote Df, fue recomendada por el laboratorio de suelos, basados en la capacidad del suelo a esa profundidad y los resultados N de penetración estándar: Df = 4.0 m • Otro dato a tener en cuenta es el peso volumétrico del material (γ), para este caso se ha obtenido el dato según la tabla 1.4, pág. 33, arcillas firmes o consolidadas, por lo tanto tenemos: γ = 1,700 kg/m³ • Para obtener el esfuerzo vertical en la punta del pilote, se calcula multiplicando la longitud del pilote por el peso volumétrico de la arcilla consolidada a esa profundidad: q´ = Df . γ Donde: q´= esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Df = profundidad de desplante o longitud del pilote γ = peso volumétrico del material Sustituyendo en ecuación: q´ = 4.0 x 1,700 = 6,800 kg/m² 101 • Como factor de seguridad para el empleo de pilotes, se han seguido los lineamientos referenciados en el Manual de Cimentaciones Profundas de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, el cual sugiere utilizar el valor 3, para condiciones normales de servicio (ver pág. 64) : FS = 3.0 Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación de Meyerhof, tenemos: Qp = 0.0706 m² (25,000 kg/m² (30.14) + 6,800 kg/m² (18.40)) = 0.0706 m² (753,500 kg/m² + 125,120 kg/m²) = 0.0706 m² (878,620 kg/m²) Qp = 62,030.57 kg Teniendo la capacidad de carga del pilote, procedemos al cálculo de su capacidad admisible de carga: Qadm = Qp/ FS Donde: Qadm = capacidad de carga admisible Qp = capacidad de carga del pilote FS = factor de seguridad Sustituyendo en ecuación tenemos: Qadm = 62,030.57 kg / 3 = 20,676.80 kg Qadm del laboratorio = 20.0 Ton ó 20,000 kg (ver Anexo N-2) 102 3.1.1.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN EL ESFUERZO CORTANTE ENTRE EL GRUPO DE PILOTES Y LA ZAPATA. Los pilotes se distribuyen generalmente bajo las zapatas en grupos, uno bajo cada columna. El grupo se corona con una zapata de distribución, el cual distribuye la carga de la columna a todos los pilotes del grupo. Esta interacción de pilotes, son en muchos aspectos similares a las zapatas sobre el suelo, excepto por dos características: la primera, que las reacciones en la zapata actúan como cargas concentradas sobre los pilotes individuales, en vez de hacerlo como presiones distribuidas. La segunda, si el total de todas las reacciones de los pilotes de un grupo se divide por el área de la zapata para obtener una presión uniforme equivalente, se encuentra que esta presión es sustancialmente mayor en la zapata que corona el grupo de pilotes que en las zapatas superficiales. Por lo anterior, se determina que los momentos, y en particular los cortantes, también son mayores en forma recíproca, lo cual exige mayores alturas de zapata que para aquéllas superficiales con dimensiones horizontales similares. Con el fin de distribuir la carga a todos los pilotes de manera uniforme, es aconsejable en todo caso suministrar rigidez considerable, es decir, un buen espesor de la zapata que corona el grupo de pilotes. Para el cálculo de la porción efectiva Re disponible para resistir las cargas no mayoradas de las columnas, es igual a la carga admisible del pilote (Qadm) menos el peso de la zapata, del relleno y la sobrecarga por pilote, entonces obtenemos: Re = Qadm – Wf Donde: Re = Reacción efectiva Qadm = Carga admisible del pilote Wf = Peso de la zapata, relleno y sobrecarga dividido por el número de pilotes. La cantidad y ubicación de los pilotes en dicho grupo se determina mediante aproximaciones sucesivas, partiendo de la condición de que la carga en el pilote sometido a 103 mayor carga no debe exceder la carga admisible del pilote. Con una distribución lineal de cargas en los pilotes a causa de la flexión, la máxima reacción de un pilote es: Rmax = P/n + M/Ipg/c Donde: P = carga máxima (incluye peso de la zapata, relleno, etc) M = momento que debe resistir el grupo de pilotes Ipg = momento de inercia del grupo completo de pilotes con respecto al eje centroidal alrededor del cual se produce la flexión. n = número de pilotes c = distancia desde eje hasta el pilote más alejado. Los pilotes se distribuyen generalmente en patrones ajustados, que minimizan el costo de la zapata de coronamiento, pero no pueden colocarse a espaciamientos menores que los permitidos por las condiciones de hinchamiento. Se acostumbra a utilizar un espaciamiento aproximado de tres veces el diámetro de la cabeza del pilote, pero no menor de 60 cms. Comúnmente los pilotes con cargas admisibles entre 30 y 70 toneladas están espaciados a 90 cms. El diseño de las zapatas sobre pilotes es similar al de zapatas para columnas individuales. Un método consiste en diseñar la sección de la zapata para las reacciones de los pilotes calculadas con las cargas de las columnas mayoradas. Para un grupo de pilotes cargado en forma concéntrica, se recomienda tomara una reacción del pilote para el diseño a la resistencia igual a: Ru = Re x factor de carga Donde: Factor de carga = (1.4D + 1.7L)(D+L) De este modo, la zapata de coronamiento del grupo de pilotes se diseña para que sea capaz de desarrollar la capacidad admisible del grupo de pilotes. El espesor es controlado por cortante. Con respecto a esto debe tenerse en cuenta tanto el cortante por punzonamiento o 104 en dos direcciones, como el cortante por flexión o en una dirección. El cortante se produce por las reacciones concentradas de los pilotes en el lugar de las presiones distribuidas de contacto. Por lo tanto, para calcular el cortante si la sección crítica interfecta la circunferencia de uno o más pilotes, el código del ACI 15.5.3 tiene en cuenta el hecho de que la reacción del pilote no es en verdad una carga puntual, sino que se distribuye sobre el área de contacto del pilote. De acuerdo con esto, el código establece le siguiente para pilotes con diámetro dp: El cálculo del cortante en cualquier sección a través de una zapata sobre pilotes se debe realizar de acuerdo con lo siguiente: - La reacción total de cualquier pilote cuyo centro se localice a una distancia dp/2 ó mayor por fuera de esta sección debe considerase que produce cortante en esta sección. - La reacción de cualquier pilote cuyo centro se localice a una distancia de dp/2 ó mayor por dentro de la sección debe considerarse que no produce cortante en esta sección. - Para posiciones intermedias del centro del pilote, la porción de reacción del pilote que se considera que produce cortante en la sección debe basarse en una interpolación lineal entre el valor total dp/2 por fuera de la sección y cero a dp/2 dentro de la sección. Además de verificar el cortante en dos direcciones y en una dirección, como se describió anteriormente, también debe investigarse el cortante por punzonamiento para el pilote individual. Particularmente en el caso de la zapata sobre una pequeña cantidad de pilotes sometidos a cargas considerables, el espesor requerido pude quedar controlado por la posibilidad de punzonamiento del pilote hacia arriba a través de la zapata. El perímetro crítico para esta acción se localiza de nuevo a una distancia d/2 por fuera del borde superior del pilote. Sin embargo, para zapatas con espesores relativamente grandes y con pilotes muy cercanos entre sí, los perímetros críticos alrededor de los pilotes adyacentes pueden 105 traslaparse. En este caso, el fracturamiento, si se presenta, ocurrirá indudablemente a lo largo de una superficie inclinada hacia afuera o alrededor de los dos pilotes adyacentes. Fuente: Diseño de Estructuras de Concreto, 2003. 3.1.2 EFICIENCIA DE GRUPO DE LOS PILOTES Según el libro Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001: “La determinación de la capacidad de carga del grupo de pilotes es extremadamente complicada, y no se ha resuelto todavía por completo. Cuando los pilotes se colocan cerca uno de otro, una razonable hipótesis es que los esfuerzos transmitidos por los pilotes al suelo se traslapan, reduciendo así la capacidad de carga de los pilotes. Idealmente, los pilotes en un grupo deben espaciarse de manera que la capacidad de carga del grupo no sea menor que la suma de sus capacidades individuales. En la práctica, la separación mínima de centro a centro de los pilotes es 2.5D y en situaciones ordinarias es aproximadamente es 3D y 5D. (D = diámetro del pilote)”. EJEMPLO PARA LA ZONA 1: Para el cálculo de la eficiencia de grupo de pilotes, es necesario considerar un número de pilotes que resistirán las cargas que soportan las zapatas. Para este caso, se ha establecido una carga de 80 ton, que llegan a una zapata de 1.25m x 2.5m: Hay diferentes fórmulas para calcular la eficiencia, consideraremos la fórmula establecida por Feld (Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001), en la cual la capacidad de carga del pilote se reduce en 1/16 por cada diagonal adyacente o fila de pilotes: De la carga total establecida de 80 ton, se requerirán teóricamente la cantidad de 4 pilotes, resistiendo cada uno de ellos 20 ton. 106 Por lo anterior se requiere verificar la pérdida de carga de los pilotes trabajando en grupo, determinando su eficiencia de la siguiente manera: η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% Donde: η = eficiencia del grupo de pilotes Qadm = capacidad de carga admisible del pilote = 20 ton. Xi = sumatoria de la capacidad admisible perdiendo cada uno 1/16 por cada pilote en fila o adyacente. Para cada pilote tenemos una perdida en grupo de 3/16. 1/16 1/16 P = Pérdida del pilote = 3/16 P 1/16 Sustituyendo datos en la ecuación de eficiencia del grupo de pilotes tenemos para 4 pilotes: η = 100% - Σ (20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16) = 100% - 15% η = 85% (eficiencia del grupo de pilotes) Teniendo la eficiencia del grupo de pilotes, es necesario conocer la capacidad de carga del grupo Qg = Qadm . η . Npilotes Donde: Qg = carga de grupo de pilotes 107 Npilotes = numero de pilotes (4) Sustituyendo de la ecuación: Qg = 20ton(85%)(4) Qg = 68 ton. Teniendo una capacidad de carga menor que la establecida por la estructura que es de 80 ton. Se establece matemáticamente: lo siguiente que con 4 pilotes obtenemos una carga menor de 80 ton, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su diámetro: Aumentando 1 pilote a la zapata: Eficiencia para grupo de 5 pilotes: 1/16 1/16 P = Pérdida del pilote = 4/16 P 1/16 1/16 η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% = 100% - Σ (20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 4/16) = 100% - 20% η = 80% (eficiencia del grupo de pilotes) Carga total del grupo de 5 pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes = 20 ton (80%) (5) Qg = 80 ton 108 Se concluye que aumentando un pilote logramos la carga necesaria de 80 ton que soportará la estructura, mediante el grupo de 5 pilotes. Zapata aislada 2.50 mts Pilote 30 cms 1.25 mts Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 30 cms. 3.1.3 DISEÑO ESTRUCTURAL DE CADA PILOTE COLADO IN SITU El diseño estructural de cada pilote estará regido bajo la normativa del ACI 318R-2002, y específicamente las secciones siguientes: - Sección 7.6 “Límites para el espaciamiento del acero de refuerzo”, subsección 7.6.3 “En elementos reforzados con espirales, o en miembros a compresión reforzados con anillos, la distancia libre entre varillas longitudinales no será menor de 1.5db (diámetro de la varilla), ni de 4 cms”. 109 - Sección 7.7 “Protección de concreto para el acero de refuerzo”, subsección 7.7.1 “Concreto colado en obra. El concreto colado en contacto con el suelo y permanentemente expuesto a él, tendrá un recubrimiento mínimo de 7.5 cm” - Sección 7.10.4 “Espirales. Acero de refuerzo en espiral para elementos a compresión”, subsecciones: a) 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de 1.0 cm”. b) 7.10.4.3 “El espaciamiento libre entre espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. c) 7.10.4.4 “El anclaje del refuerzo en espiral se deberá aumentar 1.5 vueltas más de la varilla o del alambre en cada extremo de la unidad espiral”. d) 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en espiral, estos serán una longitud de 48 db, pero no menor de 30 cm, o se soldarán”. - Sección 9.3 “Resistencia de Diseño”, subsección 9.3.2 “Factor de reducción de resistencia, φ, debe ser el siguiente: compresión axial y flexocompresión axial: elemento con refuerzo en espiral 0.75”. - Sección 10.9 “Limites de acero de refuerzo para elementos sujetos a compresión”, subsecciones: a) 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.08 veces el área total de la sección”. b) 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3 varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”. - Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. 110 CÁLCULO DEL ACERO DE REFUERZO, PILOTE EN LA ZONA 1: Los pilotes serán colados in situ y de 30 cms, con una longitud Df=4.0 mts. Como consideraciones de diseño especificada (ACI 318R-2002, Capitulo 2, sección 2.1), para el concreto y el acero tenemos: f´c = 210 kg/cm², Resistencia a la compresión especificada del concreto. f´y = 2,800 kg/cm², Resistencia mínima a la fluencia del acero. El cálculo del acero de refuerzo mínimo de cada pilote, será determinado por los siguientes métodos: a) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ: As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y Donde: As: acero mínimo de refuerzo Qadm: capacidad admisible de carga del pilote Ap: área de la sección del pilote f´c: esfuerzo a la compresión del concreto f´y: esfuezo de fluencia del acero φ: factor de reducción Datos: • Capacidad admisible de carga del pilote (Qadm): 20 ton ó 20,000 kg, según el cálculo de resistencia del pilote, pág. 102 • Área del pilote (Ap): para un pilote de 30 cms de diámetro, es igual a 706.86 cm², pág. 100 • Resistencia a la compresión (f´c): 210 kg/cm² 111 • Resistencia a la fluencia del acero (f´y): 2,800 kg/cm² • Factor de reducción (φ): según ACI 318R-2002, sección 9.3 “Resistencia de Diseño”, subsección 9.3.2, es igual a 0.75 (adimensional). Sustituyendo en ecuación tenemos: As = (20,000 kg – 0.60(706.86 cm²)(210 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²) = (20,000 – 89,064.36) / 2,100 = -69,064.36 / 2,100 As = -32.88 cm² Como el valor de As es negativo, se tomará como porcentaje mínimo de acero: 0.01 (ACI 318R-2002: sección 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”), entonces tenemos: As = 0.01 (706.86 cm²) As = 7.07 cm² b) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente ecuación: As = 0.01 Ag Donde: As: acero mínimo de refuerzo Ag: área gruesa de la sección del pilote 0.01: porcentaje mínimo de reducción. 112 Se ha establecido la ecuación anterior, de acuerdo a la siguiente sección del ACI: - 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”. Datos: • Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección del pilote Ap, entonces tenemos: 706.86 cm². Sustituyendo datos en ecuación tenemos: As = 0.01 (706.86 cm²) As = 7.07 cm², área de refuerzo mínima requerida. Luego se procede al cálculo de varillas del pilote de acuerdo al ACI: - Sección 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3 varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”. Para esta sección tomaremos como mínimo 6 varillas longitudinales, así: Área ؽ” = 1.29 cm² x 6 varillas Área ؽ” = 7.74 cm², equivalente al As. Luego se realiza el cálculo de la longitud de desarrollo que se anclará entre la zapata y el pilote de la siguiente manera: ACI Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. Además no deber ser menor de 20 cms, sección 12.3.1. 113 Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c = (0.075 (1.27)(2,800))/ √210 = 18.40 cm < 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 20 cms. Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de 1.0cm”. Estribo de espiral = Ø3/8” ó No.3 El traslape del estribo de espiral según el ACI sección 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en espiral, estos serán una longitud de 48 db (diámetro varilla), pero no menor de 30 cm, o se soldarán”. Por lo tanto tenemos: Traslape = 48 (0.952) = 45.70 cms > 30 cms, no requiere soldadura La separación del espiral según ACI sección 7.10.4.3: “El espaciamiento libre entre espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. Por lo que queda a criterio del diseñador, y con lo cual sugerimos: Separación normal del espiral = 7.5 cms Separación en área de confinamiento = 5.0 cms 114 DETALLE SIN ESCALA DE ARMADO DEL ACERO DE REFUERZO Concreto vibrado f´c = 210 kg/cm2 Recubrimiento de 7.5 cm, según ACI sección 7.7 6 No.4, según ACI sección 10.9.2 y espaciamiento distribuido uniforme en diámetro interno de 22,5 cm. Estribo de Espiral No.3, según ACI sección 7.10.4.2 30 cm Zapata aislada Empotramiento entre pilote y zapata no menor de 5cm Ldb = 20 cms, según cálculo mediante ACI sección 12.3. Doblado a 90° Zona confinamiento 50 cms, sepación espiral 5.0 cms Separación normal de espiral 7.5 cm Df = 4.0 mts Terreno Natural 30 cms. 115 EJEMPLO PARA LA ZONA 2 Se ha determinado el sondeo número 18 de la tabla estratigráfica del promedio de esta zona, la presencia de materiales arcillosos inorgánicos de alta plasticidad (CL-CH) a una profundidad de 7mts y N=40, por lo que para poder cimentar una edificación de 95 ton, se requiere del uso de cimentaciones profundas (pilotes), para llegar a ese estrato resistente. A continuación se procede al cálculo de la capacidad de carga del pilote, haciendo uso nuevamente de la ecuación 1: Qp = Ap (cNc* + q´Nq*) Donde: Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de capacidad de carga Datos: • Se asume para diferenciar el ejemplo 1, un diámetro del pilote de 0.40 mts. D = 0.40 m • Cálculo del área del pilote: Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.40m)² / 4 = 0.126m² • Para calcular la capacidad de carga del suelo, hacemos uso de la tabla 1.6, pág. 45, la cual correlaciona el “N” número de golpes. En esta zona tenemos un promedio de N=40, entonces: Qu =3.8 kg/cm² • Cohesión empírica: c = Qu / 2 116 Sustituyendo en ecuación: c = 3.8 kg/cm² / 2 = 19,000 kg/m² • Angulo de fricción interna, de la tabla 1.3, pág. 28, encontramos para este tipo de material valores de 20 a 30, por lo cual consideramos: Ø = 28° • Factores de seguridad de Meyerhof para un ángulo de 28°, tabla 1.10, pág. 62: Nc* = 25.80 Nq* = 14.72 • Profundidad de desplante o longitud del pilote, representa la profundidad de 7.0 mts menos 2.0 mts teóricos del desplante de la cimentación superficial: Df = 5.0 m • Peso volumétrico del material: γ = 1,700 kg/m³ • Esfuerzo vertical del pilote: q´ = Df . γ q´ = 5.0 x 1,700 = 8,500 kg/m² • Factor de seguridad: FS = 3.0 Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 1, tenemos: Qp =0.126 m² (19,000 kg/m² (25.80) + 8,500 kg/m² (14.72)) =0.126 m² (490,200 kg/m² + 125,120 kg/m²) =0.126 m² (615,320 kg/m²) Qp =77,530.32 kg 117 • Teniendo la capacidad de carga del pilote establecida, procedemos al cálculo de su capacidad admisible de carga: Qadm = Qp/ FS Qadm = 77,530.32 kg / 3 = 25,846.44 kg Qadm =26.0 Ton ó 26,000 kg. CALCULO DE EFICIENCIA PARA LA ZONA 2: La carga que se considerará para el caso de este ejemplo es de 95.0 ton con una zapata de 2.0m x 2.50m: η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% Para 4 pilotes: η = 100% - Σ (26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16) = 100% - 19.50% η = 80.50% (eficiencia del grupo de pilotes) Carga total del grupo de pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes Qg = 26 ton (80.50%) (4) Qg = 83.72 ton. Teniendo una capacidad de carga en grupo menor que la establecida por la estructura que es de 95 ton, se establece lo siguiente: con 4 pilotes obtenemos una carga de 83.72 ton, menor de la requerida, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su diámetro (según criterio del diseñador): 118 Aumentando 1 pilote a la zapata: Eficiencia para 5 pilotes: η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% = 100% - Σ (26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 4/16) = 100% - 26.0% η = 74% (eficiencia del grupo de pilotes) Carga del grupo de 5 pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes = 26 ton (74%) (5) Qg = 96.2 ton Con este resultado, se satisface la carga establecida de 95.0 ton de la estructura propuesta. Zapata aislada 2.50 mts Pilote 40 cms 2.0 mts Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 40 cms. 119 CÁLCULO DEL ACERO DE REFUERZO, PILOTE EN LA ZONA 2: Los pilotes serán colados in situ y de 40 cms, con una longitud Df=5.0 mts. Como consideraciones de diseño especificada (ACI 318R-2002, Capitulo 2, sección 2.1), para el concreto y el acero tenemos: f´c = 210 kg/cm², Resistencia a la compresión especificada del concreto. f´y = 2,800 kg/cm², Resistencia mínima a la fluencia del acero. El cálculo del acero de refuerzo mínimo de cada pilote, será determinado por los siguientes métodos: c) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ: As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y Donde: As: acero mínimo de refuerzo Qadm: capacidad admisible de carga del pilote Ap: área de la sección del pilote f´c: esfuerzo a la compresión del concreto f´y: esfuezo de fluencia del acero φ: factor de reducción Datos: • Capacidad admisible de carga del pilote (Qadm): 26 ton ó 26,000 kg, según el cálculo de resistencia del pilote, pág. 118 • Área del pilote (Ap): para un pilote de 40 cms de diámetro, el área es igual a 1,256.64 cm², pág. 116 • Resistencia a la compresión (f´c): 210 kg/cm² 120 • Resistencia a la fluencia del acero (f´y): 2,800 kg/cm² • Factor de reducción (φ): según ACI 318R-2002, sección 9.3 “Resistencia de Diseño”, subsección 9.3.2, es igual a 0.75 (adimensional). Sustituyendo en ecuación tenemos: As = (26,000 kg – 0.60(1,256.64 cm²)(210 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²) = (26,000 – 158,336.64) / 2,100 = -132,336.64 / 2,100 As = -63.0 cm² Como el valor de As es negativo, se tomará como porcentaje mínimo de acero: 0.01 (ACI 318R-2002: sección 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”), entonces tenemos: As = 0.01 (1,256.64 cm²) As = 12.57 cm² d) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente ecuación: As = 0.01 Ag Donde: As: acero mínimo de refuerzo Ag: área gruesa de la sección del pilote 0.01: porcentaje mínimo de reducción. 121 Se ha establecido la ecuación anterior, de acuerdo a la siguiente sección del ACI: - 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”. Datos: • Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección del pilote Ap, entonces tenemos: 1,256.64 cm². Sustituyendo datos en ecuación tenemos: As = 0.01 (1,256.64 cm²) As = 12.57 cm², área de refuerzo mínima requerida. Luego se procede al cálculo de varillas del pilote de acuerdo al ACI: - Sección 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3 varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”. Para esta sección tomaremos como mínimo 7 varillas longitudinales, así: Área No.5 = 2.0 cm² x 7 varillas Área No.5 = 14.0 cm², >As = 12.57 cm², entonces ok. Luego se realiza el cálculo de la longitud de desarrollo que se anclará entre la zapata y el pilote de la siguiente manera: ACI Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. Además no deber ser menor de 20 cms, sección 12.3.1. 122 Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c = (0.075 (1.59)(2,800))/ √210 = 23.0 cm > 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 23 cms. Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de 1.0cm”. Estribo de espiral = Ø3/8” ó No.3 El traslape del estribo de espiral según el ACI sección 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en espiral, estos serán una longitud de 48 db (diámetro varilla), pero no menor de 30 cm, o se soldarán”. Por lo tanto tenemos: Traslape = 48 (0.952) = 45.70 cms > 30 cms, no requiere soldadura La separación del espiral según ACI sección 7.10.4.3: “El espaciamiento libre entre espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. Por lo que queda a criterio del diseñador, y con lo cual sugerimos: Separación normal del espiral = 7.0 cms Separación en área de confinamiento = 5.0 cms 123 DETALLE SIN ESCALA DE ARMADO DEL ACERO DE REFUERZO Concreto vibrado f´c = 210 kg/cm2 Recubrimiento de 7.5 cm, según ACI sección 7.7 7 No.5, según ACI sección 10.9.2 y espaciamiento distribuido uniforme en diámetro interno de 32,5 cm. Estribo de Espiral No.3, según ACI sección 7.10.4.2 40 cm Zapata aislada Empotramiento entre pilote y zapata no menor de 5cm Ldb = 23 cms, según cálculo mediante ACI sección 12.3. Doblado a 90° Zona confinamiento 50 cms, sepación espiral 5.0 cms Separación normal de espiral 7.0 cm Df = 5.0 mts Terreno Natural 40 cms. 124 EJEMPLO PARA LA ZONA 4 Se ha determinado el sondeo número 16 de la tabla estratigráfica del promedio de esta zona, la presencia de materiales arcillosos con contenido orgánico (MH-OH) a una profundidad de 6.5mts y N=47, por lo que para poder cimentar una edificación propuesta de 110 ton, se requiere del uso de cimentaciones profundas (pilotes), para llegar al estrato resistente. A continuación se procede al cálculo de la capacidad de carga del pilote, haciendo uso nuevamente de la ecuación de Meyerhof: Qp = Ap (cNc* + q´Nq*) Donde: Qp: resistencia de la punta Ap: área de la punta del pilote c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de capacidad de carga Datos: • Se asume para diferenciar los ejemplos anteriores y por su carga, un diámetro del pilote de 0.50 mts. D = 0.50 m • Cálculo del área del pilote: Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.50m)² / 4 = 0.196 m² • Para calcular la capacidad de carga del suelo, hacemos uso de la tabla 1.6, la cual correlaciona el “N” número de golpes. En esta zona tenemos un promedio de N=47, entonces: Qu = 4.8 kg/cm² • Cohesión empírica: c = Qu / 2 125 Sustituyendo en ecuación: c = 4.8 kg/cm² / 2 = 24,000 kg/m² • Angulo de fricción interna, de la tabla 1.3, encontramos para este tipo de material (arcilla orgánica) valores de 20 a 30, por lo cual consideramos: Ø = 22° • Factores de seguridad de Meyerhof para un ángulo de 22°, tabla 1.10: Nc* = 16.88 Nq* = 7.82 • Profundidad de desplante o longitud del pilote, representa la profundidad de 6.50 mts menos 2.0 mts teóricos del desplante de la cimentación superficial: Df = 4.50 m • Peso volumétrico del material: γ = 800 kg/m³ • Esfuerzo vertical del pilote: q´ = Df . γ q´ = 4.50 x 800 = 3,600 kg/m² • Factor de seguridad: FS = 3.0 Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 1, tenemos: Qp =0.196 m² (24,000 kg/m² (16.88) + 3,600 kg/m² (7.82)) =0.196 m² (405,120 kg/m² + 28,152 kg/m²) =0.196 m² (433,272 kg/m²) Qp =84,921.30 kg 126 • Teniendo la capacidad de carga del pilote establecida, procedemos al cálculo de su capacidad admisible de carga: Qadm = Qp/ FS Qadm = 84,921.30 kg / 3 = 28,307.10 kg Qadm = 28.0 Ton ó 28,000 kg. CALCULO DE EFICIENCIA PARA LA ZONA 4: La carga que se considerará para el caso de este ejemplo es de 110.0 ton con una zapata de 2.50m x 2.50m: η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% Para 4 pilotes: η = 100% - Σ (28x 3/16 + 28x 3/16 + 28x 3/16 + 28x 3/16) = 100% - 21.0% η = 79.0% (eficiencia del grupo de pilotes) Carga total del grupo de pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes Qg = 28 ton (79.0%) (4) Qg = 88.48 ton. Teniendo una capacidad de carga en grupo menor que la establecida por la estructura propuesta de 110 ton, se establece lo siguiente: con 4 pilotes obtenemos una carga de 88.48, menor de la requerida, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su diámetro: Aumentando el diámetro de los pilotes a 60 cms: D = 0.60 m 127 • Cálculo del área del pilote: Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.60m)² / 4 = 0.28 m² • Se hace necesario calcular nuevamente la capacidad de carga del pilote, por lo tanto, sustituyendo nueva área en la ecuación: Qp = Ap (cNc* + q´Nq*) Qp =0.28 m² (24,000 kg/m² (16.88) + 3,600 kg/m² (7.82)) =0.28 m² (405,120 kg/m² + 28,152 kg/m²) =0.28 m² (433,272 kg/m²) Qp =121,316.16 kg • Calculando la nueva carga admisible del pilote: Qadm = Qp/ FS Qadm = 121,316.16 kg / 3 = 40,438.72 kg Qadm = 40.0 Ton ó 40,000 kg. Calculo de la eficiencia para 4 pilotes de 0.60m: η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% = 100% - Σ (40x 3/16 + 40x 3/16 + 40x 3/16 + 40x 3/16) = 100% - 30% η = 70.0% (eficiencia del grupo de pilotes) Carga del grupo de 4 pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes = 40 ton (70%) (4) Qg = 112.0 ton 128 Con este resultado, se satisface la carga establecida de 110.0 ton de la estructura propuesta. 2.50 mts Zapata aislada 1.5D 2.50 mts Pilote 60 cms 3D Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 60 cms. CÁLCULO DEL ACERO DE REFUERZO, PILOTE EN LA ZONA 4: Los pilotes serán colados in situ y de 60 cms, con una longitud Df=4.5 mts. Como consideraciones de diseño especificada en el Manual de Cimentaciones Profundas, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, se recomienda para pilotes mayores de 60 cms utilizar: f´c = 280 kg/cm², Resistencia a la compresión especificada del concreto. f´y = 2,800 kg/cm², Resistencia mínima a la fluencia del acero. 129 El cálculo del acero de refuerzo mínimo de cada pilote, será determinado por los siguientes métodos: e) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ: As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y Donde: As: acero mínimo de refuerzo Qadm: capacidad admisible de carga del pilote Ap: área de la sección del pilote f´c: esfuerzo a la compresión del concreto f´y: esfuezo de fluencia del acero φ: factor de reducción Datos: • Capacidad admisible de carga del pilote (Qadm): 40 ton ó 40,000 kg, según el cálculo de resistencia del pilote, pág. 128 • Área del pilote (Ap): para un pilote de 60 cms de diámetro, el área es igual a 2,827.44 cm², pág. 128 • Resistencia a la compresión (f´c): 280 kg/cm² • Resistencia a la fluencia del acero (f´y): 2,800 kg/cm² • Factor de reducción (φ): según ACI 318R-2002, sección 9.3 “Resistencia de Diseño”, subsección 9.3.2, es igual a 0.75 (adimensional). Sustituyendo en ecuación tenemos: 130 As = (40,000 kg – 0.60(2,827.44 cm²)(280 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²) = (40,000 – 475,009.92) / 2,100 = -435,009.92 / 2,100 As = -207.15 cm² Como el valor de As es negativo, se tomará como porcentaje mínimo de acero: 0.01 (ACI 318R-2002: sección 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”), entonces tenemos: As = 0.01 (2,827.44cm²) As = 28.27 cm² f) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente ecuación: As = 0.01 Ag Donde: As: acero mínimo de refuerzo Ag: área gruesa de la sección del pilote 0.01: porcentaje mínimo de reducción. Se ha establecido la ecuación anterior, de acuerdo a la siguiente sección del ACI: - 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”. Datos: 131 • Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección del pilote Ap, entonces tenemos: 2,827.44 cm². Sustituyendo datos en ecuación tenemos: As = 0.01 (2,827.44 cm²) As = 28.27 cm², área de refuerzo mínima requerida. Luego se procede al cálculo de varillas del pilote de acuerdo al ACI: - Sección 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3 varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”. Para esta sección tomaremos como mínimo 8 varillas longitudinales, así: Área No.7 = 3.87 cm² x 8 varillas Área No.7 = 30.96 cm², >As = 28.27 cm², entonces ok. Luego se realiza el cálculo de la longitud de desarrollo que se anclará entre la zapata y el pilote de la siguiente manera: ACI Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. Además no deber ser menor de 20 cms, sección 12.3.1. Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c = (0.075 (2.22)(2,800))/ √280 = 27.90 cm > 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 28.0 cms. Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de 132 1.0cm”. Y como el pilote no trabaja por cortante queda a criterio del diseñador aumentar el diámetro del espiral. Estribo de espiral = Ø3/8” ó No.3 El traslape del estribo de espiral según el ACI sección 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en espiral, estos serán una longitud de 48 db (diámetro varilla), pero no menor de 30 cm, o se soldarán”. Por lo tanto tenemos: Traslape = 48 (0.952) = 45.70 cms > 30 cms, no requiere soldadura La separación del espiral según ACI sección 7.10.4.3: “El espaciamiento libre entre espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. Por lo que queda a criterio del diseñador, y con lo cual sugerimos: Separación normal del espiral = 6.5 cms Separación en área de confinamiento = 4.0 cms 133 DETALLE SIN ESCALA DE ARMADO DEL ACERO DE REFUERZO Concreto vibrado f´c = 280 kg/cm2 Recubrimiento de 7.5 cm, según ACI sección 7.7 8 No.7, según ACI sección 10.9.2 y espaciamiento distribuido uniforme en diámetro interno de 52,5 cm. Estribo de Espiral No.3, según ACI sección 7.10.4.2 60 cm Zapata aislada Empotramiento entre pilote y zapata no menor de 5cm Ldb = 28 cms, según cálculo mediante ACI sección 12.3. Doblado a 90° Zona confinamiento 50 cms, sepación espiral 4.0 cms Separación normal de espiral 6.5 cm Df = 4.5 mts Terreno Natural 60 cms. 134 3.2 PROCESOS CONSTRUCTIVOS 3.2.1 GENERALIDADES Estos procedimientos dependen de las condiciones del terreno, capacidades de carga del suelo, la magnitud de las estructuras, disponibilidad de equipo y otros. Eligiendo por medio del diseño, el tipo de cimentaciones profundas a emplearse, ya sean pilotes hincados o colados in situ. Para estos pilotes se excava el terreno mediante el equipo de perforación en varios diámetros. Estas excavaciones pueden hacerse en seco o con alguna protección temporal de la perforación; para tener mayores rendimientos y seguridad en las obras, es recomendable realizarlas utilizando equipos de perforación hidráulicos. En nuestro país, se cuenta con equipos de perforación de varios diámetros, con capacidades de rotación desde 10 ton-mt hasta 18 ton-mt. Estos equipos permiten la ejecución de pilotes en diámetros desde 0.30 mt hasta 2.50 mts y con profundidades hasta alcanzar los 45.0 mts. Dependiendo del tipo del terreno y dimensiones de los pilotes, estos pueden tener una capacidad de carga entre 10 Kg/cm² hasta 40 Kg/cm².* Para realizar construcciones de pilotes con diámetros y profundidades mayores que los mencionados anteriormente, se tendrá que gestionar con empresas extranjeras para el alquiler de equipos ó subcontratos para su ejecución. * Información proporcionada por Rodio-Swissboring de El Salvador. 135 3.2.2 MÉTODOS CONSTRUCTIVOS DE PILOTES COLADOS IN SITU 3.2.2.1 MÉTODO SECO Método que se aplica sobre el nivel freático donde no existe el peligro de derrumbe o socavación al perforar el pozo hasta el fondo. Un suelo que cumple con estas características sería una arcilla homogénea y firme. También puede aplicarse este método en el caso de suelos de bajo nivel freático, si la permeabilidad es tal que la filtración en el pozo es mínima, mientras permanece abierto. Para construir estos pilotes es necesario hacer un replanteo de la zona y ubicar con topografía el centro de cada pilote. Se procede después a colocar el equipo de perforación en el sitio adecuado y la correcta selección de la broca helicoidal (Fig. 3.0) y barrena para iniciar la excavación. FIG. 3.0 BROCA HELICOIDAL TIPO Luego se efectúa la perforación hasta la profundidad requerida (Ftg. 3.1), depositando el material excavado en un lugar conveniente para su desalojo posterior. Una vez alcanzada la profundidad total de la excavación puede usarse un ampliador o ensanchador para ampliar el fondo del pozo. 136 FOTOGRAFÍA. 3.0 PERFORACIÓN DE PILOTES Trabajos de perforación realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador. Se observa la excavación del terreno mediante equipo de perforación, utilizando una broca helicoidal. El porcentaje de acero de refuerzo que debe colocarse en los pilotes, así como la longitud de refuerzo vertical, se determina en base a las condiciones de carga. Algunas veces se omite el acero de refuerzo, por considerarse que el pilote no soportará esfuerzos laterales, en cambio otras veces es necesario colocarlo a lo largo de toda la longitud del pilote cuando está expuesto a condiciones de cargas laterales ó se coloca el acero de refuerzo en la punta del pilote (cabeza). La correspondiente armadura con todos sus separadores colocados, se baja lo más centrado posible (Ftg. 3.1) evitando tocar las paredes laterales de la perforación para no producir arrastre de material (Ftg. 3.2). 137 FOTOGRAFÍA. 3.1 COLOCACIÓN DE ARMADURA Trabajos de colocación de armadura de Pilotes realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador. FOTOGRAFÍA. 3.2 COLOCACIÓN DE ARMADURA Armadura de acero colocada y en posición para el colado de concreto hidráulico. 138 Una vez posicionada la armadura en el lugar correcto, se inician los trabajos del concreto, utilizando el método TREMIE de llenado por flujo inverso. Por el interior de la armadura se bajan en tramos de tubos acoplables, roscados y sellados mediante el equipo o maquinaria hasta el fondo de la perforación, se coloca la tolva en su parte superior, se obtura unión tolva con cañería mediante tapete (embudo). Luego se vuelca el concreto en la capacidad de la tolva, se retira el tapete y en forma continua se inicia el llenado del pilote. El volumen de concreto que se carga por tolva se desliza hacia el fondo desplazando el agua y posibles impurezas hacia el exterior (superficie). A medida que avanza el llenado (Ftg. 3.3) se van retirando los tubos, estando siempre el tubo puntera sumergido evitando de esta forma el contacto con el agua. Cabe acotar la importancia del concreto el cual debe tener de preferencia un revenimiento de 6 a 7 pulg., con agregado mediano, logrando con esto un libre deslizamiento en el interior de la tubería y un perfecto acomodamiento contra las paredes laterales y los estribos de la armadura. FOTOGRAFÍA. 3.3 COLADO DE PILOTES IN SITU Trabajos de Colado de Pilotes in situ, realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador. 139 3.2.2.2 MÉTODO ENTUBADOS O ADEME Este sistema se adopta donde la naturaleza del terreno a trabajar es tan crítica que las paredes de las perforaciones no logran sostenerse aplicando fangos estáticos (bentonita o gel). El equipo montado sobre oruga tiene la suficiente potencia y adaptaciones necesarias para introducir, girando camisas acoplables entre sí hasta llegar donde las condiciones del suelo lo requieran. Una vez colocada la camisa, se excava su núcleo interior con el sistema más adecuado a las características del suelo, hélice o balde bucket (3.1). FIG. 3.1 BALDE O BUCKET TIPICO En el caso de no haber alcanzado la cota de profundidad requerida, luego de haber vaciado el interior se acopla un nuevo tramo y se continúa en tareas sucesivas hasta alcanzar el nivel de apoyo del pilote. Cabe destacar que se puede dar una conjunción de sistemas; encamisar solamente una parte de la perforación donde la naturaleza del terreno lo requiera y luego continuar perforando, ya sea con presencias de aguas o aplicando lodos estabilizantes. Es de suma importancia destacar que este método, calificado como de última generación (Ftg. 3.4), no transmite ningún tipo de vibraciones a posibles edificios linderos, ya que el encamisado se produce por giro y no por hincado o vibrohincado. 140 FOTOGRAFÍA. 3.4 MÉTODO ENTUBADOS O ADEME Equipo sobre orugas, introduciendo camisas acoplables antes de la perforación. Trabajos realizados en Guatemala por Rodio-Swissboring Una vez que se ha logrado la limpieza del interior de la camisa se baja la armadura metálica con sus correspondientes separadores y se la posiciona en su lugar. Para el colado, el sistema a adoptar depende totalmente de las características del suelo de trabajo. En muchas ocasiones se produce un llenado en seco utilizando tubos para evitar disgregamiento del concreto. En caso de presencia de aguas o lodos bentoníticos, se aplica el sistema Tremie o Contractor de llenado por flujo inverso. Por el interior de la armadura se bajan tuberías en tramos aclopables, roscados y sellados mediante O'ring (empaque para evitar pérdida de lechada) hasta el fondo de la perforación. Se procede al vaciado del concreto de igual forma que el método seco. Una vez lleno el pilote, se procede al retiro de la camisa (Ftg. 3.5), ya sea produciendo el giro de la misma o con pequeños golpes de extracción, luego se van desacoplando los tramos de ésta sucesivamente hasta sacarla totalmente. Una vez concluida esta operación nos queda el pilote terminado. 141 FOTOGRAFÍA. 3.5 ADEME RECUPERABLE Retiros de camisa utilizando pluma sobre oruga en la construcción de un puente. Trabajos realizados en Guatemala por Rodio-Swissboring 3.2.2.3 METODO CON LODOS ESTABILIZANTES Se realiza con un equipo de accionamiento hidráulico y consiste en perforar hasta la cota de fundación requerida, en dicha excavación se utiliza mecha helicoidal para inicio y luego balde “bucket”, esta herramienta posee la particularidad de almacenar todo el material cortado en su interior evitando que éste quede disgregado en la perforación. Estas operaciones se realizan con el aporte constante de fangos estabilizantes (Ftg. 3.6) para garantizar la estabilidad de las paredes laterales de la excavación y sostenerlas evitando posibles desmoronamientos de terreno. 142 FOTOGRAFÍA. 3.6 ESTABILIZACIÓN BENTONÍTICA Utilización de bentonita en la perforación, estabilizando las paredes. Trabajos realizados en pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador. El lodo estabilizante es conocido comúnmente como bentonita, que es una arcilla la cual contiene una gran cantidad de monmorilonita. Al ser mezclada con agua, forma un coloide con moléculas de bentonita intercaladas con moléculas de agua. Al someter la bentonita a presión, las placas hidratadas se adhieren al terreno, mientras que las moléculas de agua se introducen en el terreno y por último, al prolongar este contacto se forma una película de bentonita comúnmente denominada cake, comportándose esta capa como una película de protección y permite que la mayor presión hidrostática dentro de la perforación, mantenga estable las paredes y evite cualquier desprendimiento de la misma. 143 Una vez alcanzada la profundidad solicitada se procede al bajado de armadura (Ftg. 3.6) con sus correspondientes separadores. Esta operación se realiza normalmente con el tiro libre de la perforadora usándola como grúa. Se introduce la armadura del pilote hasta que el fondo de éste queda de 20 a 30 cms., sobre el fondo de la excavación; esto será posible porque la armadura se sostendrá de la parte superior con vigas de acero o algún elemento especial diseñado para dicha función. Para cargas axiales, los pilotes generalmente llevan una cuantía de acero entre el 0.5 a 0.10% del área nominal del pilote. Para dar una mayor rigidez a la armadura, cada tramo deberá quedar soldado en varias de las barras del esfuerzo vertical. Posicionada la armadura en el lugar correcto, se deben de tomar debidas precauciones para asegurar la mejor calidad. En el caso de la tubería, esta deberá retirarse mientras se está haciendo el colado, ya sea por tensión vertical o movimientos oscilatorios. En el caso de utilizar la bentonita, durante el proceso de excavación, el lodo se carga con arena y descansa al fondo; como primer paso, es necesario utilizar e bucket para retirar el exceso de arena. Luego, se procede a retirar hasta cierta tolerancia del 5.0% en peso, toda la arena que está en suspensión; para hacer esto, se debe de bombear lodo mezclado con material de excavación del fondo hacia fuera y sustituirse por lodo nuevo, es decir, desarenado. 144 FOTOGRAFÍA. 3.6 BAJADO DE ACERO DE REFUERZO Bajado del acero de refuerzo o armadura mediante grúa, luego de la perforación del terreno. Trabajos realizados en pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador. Cuando el lodo retirado del fondo de excavación cumple con las normas establecidas (Tabla 3.0), se considera que el panel está listo para ser colado (Fig. 3.7). TABLA 3.0 CARACTERISTICAS MINIMO ACEPTABLE MÁXIMO ACEPTABLE Densidad 1.10 ton/m³ 1.25 ton/m³ Viscosidad 30 45 Contenido de agua - 5% Para evitar que se segregue el concreto es necesario utilizar una tubería tipo TREMIE, esta tubería permite que el concreto fluya desde el fondo de la excavación y que por su mayor peso específico pueda desplazar la bentonita y cualquier impureza. Esta tubería quedará al 145 inicio del colado a 20 cms del fondo de la excavación y luego deberá mantenerse embebida en el concreto entre 2.0 y 4.0 mts; el colado con este tipo de tubería debe hacerse en forma constante y sin interrupciones. FIG. 3.7 FIJACIÓN DEL ACERO DE REFUERZO Bajado, fijación y colocación del acero de refuerzo del pilote, previo al colado.Trabajos realizados en construcción de pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador. 3.2.2.4 METODO NIVEL FREÁTICO Este tipo de tareas se efectúan con un equipo perforador rotativo de accionamiento hidráulico. Se perfora hasta la cota de fundación requerida, utilizando mecha helicoidal para poder iniciar marcando la perforación (Ftg. 3.8). Esta mecha se utiliza hasta encontrarse con el nivel freático, cuando la presión de ésta comienza a inundar la perforación se cambia de herramienta colocando balde “bucket”. Este elemento, especialmente diseñado para ser utilizado en trabajos por debajo de niveles acuíferos, corta por su fondo y almacena todo el material en su interior evitando que éste quede disgregado en la perforación. Esta característica es de suma importancia ya que cuando se alcanza la 146 cota requerida la perforación se encuentra totalmente limpia, sin ningún material grueso suelto que pueda impedir u ocasionar un mal llenado del pilote. FOTOGRAFÍA. 3.8 MAQUINARIA PARA PERFORACIÓN CON BUCKET Maquinaria sobre oruga utilizando bucket durante la perforación previo al colado del pilote. Trabajos con método nivel freático, Guatemala. Luego se procede al bajado de la armadura, que se realiza normalmente con el tiro libre del equipo perforador. La correspondiente armadura con todos sus separadores colocados, se baja lo más centrado posible evitando tocar las paredes laterales de la perforación para no producir arrastre de material. Una vez posicionada la armadura en el lugar correcto, se inician los trabajos de vaciado del concreto del pilote, se utiliza el método TREMIE de llenado por flujo inverso. El proceso a seguir es igual al método seco. A medida que avanza el llenado se van retirando los tubos, estando siempre el tubo puntera sumergido en el concreto evitando de esta forma el contacto con el agua. Se recomienda tener un revenimiento entre 7 y 8 pulg., con agregado mediano, logrando con esto un libre deslizamiento en el interior de la tubería y un perfecto acomodamiento contra las paredes laterales y los estribos de la armadura. 147 3.2.2.5 SISTEMA HÉLICE CONTÍNUA Este sistema de última generación se ejecuta con equipos de alta potencia-torque y que poseen la más avanzada tecnología aplicada a la construcción y controles de calidad de los pilotes. Normalmente se aplica este método donde los suelos a perforar son inestables, con presencia de nivel freático, desmoronables y que ante los trabajos de perforación con los métodos tradicionales pueden llegar a colapsar, a diferencia de otros como los lodos bentoníticos, se obtienen altas producciones (dependiendo del tipo y espacio de obra) y una mayor limpieza de la misma. Se trata de hacer la Ingeniería de fundación sobre la base del sistema constructivo adoptado tratando de unificar el diámetro a utilizar. La forma de ejecutar el pilote es la siguiente: el equipo trabaja con una hélice continua de 12.0 mts. de longitud y posee un prolongador para alcanzar los 18.0 mts. de profundidad. Mediante giro y empuje introduce la mecha en el suelo hasta la cota de fundación, luego se acopla el equipo con la bomba de concreto. A medida que se va extrayendo la mecha del terreno por el interior del eje de la misma se bombea el concreto, comparandola contra la velocidad de ascenso de la mecha por medio de un equipo computarizado, evitando no levantar de más si no está la mezcla ocupando el lugar. Se trabaja de esta forma hasta extraer la total longitud de la mecha, inmediatamente se toma la armadura con el tiro libre de la máquina y se la coloca, ayudándola a entrar mediante peso o por vibración de la misma, quedando de esta forma el pilote terminado. 148 FOTOGRAFÍA. 3.9 MAQUINARIA PARA PERFORACIÓN HÉLICE CONTINUA Maquinaria trabajando con el sistema de hélice continua en perforación del suelo, previo a la colocación del acero de refuerzo. Italia, 2003. 3.2.2.6 MÉTODO CONSTRUCTIVO DE PILOTES ARTESANALES En nuestro país, durante los últimos años, se ha incrementado el uso de pilotes de concreto colados en el sitio. Generalmente en la construcción de obras de menor magnitud que no requieren el uso de perforadoras mecánicas, plumas, etc., el constructor realiza este tipo de obras mediante cimentaciones artesanales. La utilización de este método se caracteriza por el tipo de equipo y métodos utilizado por una excavación con barrenos de uso manual, fabricados de acero en un taller de mecánica, generalmente con poco control de calidad. El método se utiliza en aquellas construcciones 149 técnicas de las obras como la industria viviendista y pequeños edificios y donde es necesario colar, muchos pilotes de diámetros reducidos. Se procede de la siguiente manera: Impulsado con fuerza un barreno de fabricación artesanal de forma helicoidal hacia dentro del terreno por una o más personas, se perfora hasta la profundidad determinada por un estudio geotécnico. Generalmente cuando se utiliza este método las profundidades no son muy grandes, llegando a alcanzar 10 mts las máximas perforaciones. Este proceso de excavación tiene muchos inconvenientes: • Si se encuentra un estrato de suelo de gran resistencia por donde debe pasar el barreno, éste necesita más fuerza para poder perforarlo, por lo que esta fuerza extra hace que el barreno se desvíe unos pocos centímetros, perdiendo la perforación su verticalidad original. Esto puede ser perjudicial, pues estas discontinuidades podrían afectar la transmisión de carga en el pilote. • Es bastante probable que a medida se excava no toda la tierra removida puede ser sacada del pozo, por lo que existen azolves en el fondo. Lo que el constructor hace en general es compactar este azolve con un pisón largo, pero esta práctica no es muy recomendable, pues el compactado no puede hacerse correctamente y aunque se esté en el estrato resistente, el pilote no se colocará originalmente sobre él, por lo que al soportar el peso de la superestructura se asentará una distancia igual al espesor del azolve compactado. • Si se encuentra en el proceso de excavación un estrato rocoso, el barreno natural no podrá pasar por él. Muchas veces se mal interpretan estos estratos creyéndose que ya se ha llegado al estrato resistente, cuando probablemente sea una pequeña formación rocosa que cederá cuando el pilote sea cargado. Luego de haber realizado la excavación se procede a la colocación del acero de refuerzo vertical, el cual consiste como mínimo de 4 a 6 varillas longitudinales de 3/8” o de 1/2” con estribo de espiral de 1/4” o 3/8”, dependiendo del diseño estructural. El refuerzo se coloca en el pozo sin la ayuda de ninguna grúa, sometiéndolos muchas veces a esfuerzos por doblado en su introducción. 150 Cuando ya está colocado el acero, se procede al colado del concreto que generalmente es de una resistencia a la compresión de 210 kg/cm² con un revenimiento de 6 a 7 pulgadas. El colado puede realizarse de dos maneras diferentes: • Con concreto premezclado en planta y transportado en camiones revolvedores o mediante bombeo. Este concreto se baja del camión y se va colocando en bateas especiales de gran tamaño; luego es transportado en carretillas de llantas con neumáticos hasta el pozo a ser colado. Muchas veces el camión revolvedor puede llegar cerca del pilote a colar, y ahorrarse los acarreos en carretillas. • Fabricando el concreto con máquinas revolvedoras de 1/2 a 2 bolsas. Esto se hace cuando la cantidad de concreto a colocar no alcanza con la cantidad que transporta un camión. Este proceso debe tener una mayor supervisión y mayor control de las mezclas realizadas, algunas veces se fabrica el concreto a mano, pero esto no es recomendable y ningún tipo de supervisión debería permitir este método, por mínima que sea la cantidad de concreto a colar. Para verter el concreto en el pozo también se utilizan dos métodos: • Se vierte el concreto directamente en caída libre en la oquedad. Este procedimiento es totalmente incorrecto porque la caída libre produce segregación en el concreto disminuyendo la resistencia de éste. • Por medio de una tolva y trompa de elefante, primeramente se deja caer por la tolva un poco de concreto más fluido de lo normal en caída libre; esto sirve para que luego caiga el concreto normal ya bajo presión, al crearse un vacío dentro de la tolva. Cuando se vibra o compacta el concreto, se hace con un vibrador en sus regiones superficiales. 151 CASO DE NIVEL FREÁTICO EN CONSTRUCCIÓN DE PILOTES ARTESANALES. En el caso de encontrarse nivel freático de manera superficial, y las paredes de la perforación son estables y permiten trabajar en agua sin mayores dificultades, no hay necesidad de encamisar las paredes. De lo contrario se procederá a encamisarlo, generalmente con tubo PVC. El día del colado se deberá hacer una limpieza en el fondo de la perforación. Posteriormente se coloca la armaduría con sus separadores, para evitar arrastre de material. Luego se procede al vaciado del concreto, haciéndolo por caída por medio de tubos o preferiblemente bombeado, utilizando éste algún tipo de aditivo acelerante del fraguado, esto provoca al mismo tiempo el ascenso del agua de la perforación, la cual es expulsada del agujero. Terminado el pilote se procederá a demoler la cabeza de éste por estar muy contaminada y sustituirla por un nuevo concreto de calidad. 152 ACCESORIOS DE PERFORACIÓN Barrena de Perforación Camisa de Perforación Otros usados en perforaciones Mecha Balde bucket Carotieri (fresa para rocas) Bulbo ensanchador 153 3.2.3 EQUIPO UTILIZADO EN LA CONSTRUCCIÓN 3.2.3.1 GRÙAS Son máquinas que sirven para el levantamiento y manejo de objetos pesados, contando para ello con sistema de malacates que acciona a uno ò varios cables, montados sobre una pluma y cuyos extremos terminan en gancho. Para facilitar su función, la unidad motriz y los diferentes mecanismos de la máquina le permiten girar alrededor de un eje vertical y a la pluma moverse en un plano horizontal. Las plumas de la grúa pueden ser rígidas cuando están formadas por estructuras modulares (de tubo o de ángulo estructural), o bien telescópicas cuando están formadas por elementos prismáticos que deslizan unos dentro de otros. Para la construcción de cimentaciones profundas se usan generalmente grúas móviles de pluma rígida, bien sea para montar sobre ellas equipo especializado. Para el montaje de equipo de perforación o hincado, usualmente se requieren grúas de 45 a 80 ton. de capacidad nominal, con plumas rígidas de 18.3 mts de largo. Para las maniobras se emplean grúas de menor capacidad nominal, aunque superior a 15 ton., las condiciones del terreno dictaminan la conveniencia de que estén montadas sobre neumático o sobre orugas. En la siguiente tabla se muestra una guía de grúas usuales para trabajos de construcción de cimentaciones profundas. 154 TABLA 3.1 GRÚAS MOVILES Marca American Bauer Bucyrus Erie Casagrande Modelo Capacidad Peso ton ton 599 C 36.29 - 5299 45.36 7220 Marca Modelo Capacidad Peso ton ton LS68 13.61 17.67 - LS98 24.49 27.70 45.36 - LS108-B 40.82 38.40 5299 A 54.40 - LS108-D 45.36 38.04 5300 63.50 - LS118 54.43 54.70 7225 A 77.25 - LS318 72.58 63.30 7260 90.70 - LS418A 99.77 92.02 9260 113.50 - LS138-H 68.04 55.92 9270 136.08 - LS208-H 68.04 58.97 A100HC 100.00 - LS218-H 90.72 80.02 A1500HC 167.80 - HS833HD 40.00 39.60 DS640 40.00 40.00 HS843HD 60.00 56.80 BS650 50.00 50.00 HS853HD 80.00 81.20 BS660 60.00 65.00 HS833HD 90.00 96.40 BS680 80.00 80.00 HS883HD 120.00 109.40 BS6100 110.00 90.00 222 90.70 74.52 BS6120 120.00 100.00 777S-1 153.50 113.40 BS6180 180.00 160.00 777S-2 160.00 150.14 22B 12.00 19.30 888S-1 196.80 154.08 38B - - 888S-2 208.60 189.98 54B - - Manitowoc 3900WS-2 127.00 118.94 61B 66.50 67.30 3950W 136.00 136.84 C20 20.00 22.00 3950D 136.00 143.40 C40 40.00 35.60 4100WS-1 181.40 166.28 C50 50.00 48.65 4100WS-2 208.60 204.38 C60 60.00 63.70 4100WS-3 217.70 218.64 C90 95.00 83.80 670WCL 70.00 - 550 50.00 - 5060 60.00 50.52 5100 100.00 78.37 Link-Belt Liebherr P&H 155 3.2.3.2 PERFORADORAS Son máquinas para hacer barrenos en el suelo por rotación y percusión. En el caso de las rotatorias, la torsión se transmite por medio de una barra en cuyo extremo inferior se coloca una herramienta de avance tal como una broca, un bote cortador, una hélice. La barra se hace girar con algún mecanismo o bien se levanta y se deja caer sobre el fondo de la perforación, lo cual da lugar a que las perforadoras sean rotatorias o de percusión respectivamente. a) Perforadoras rotatorias. Para la construcción de cimentaciones profundas, se emplean generalmente dos tipos de perforaciones con sistema rotatorio: • Con Barretón o Kelly de perforación; ya sea montada sobre orugas, sobre grúa o sobre camión. En este caso, el Kelly puede ser de una sola pieza o bien telescópico de varias secciones, con el cual se extrae de manera intermitente el suelo perforado. • Con Hélice continua; montada sobre grúa o sobre oruga. El suelo se extrae de manera continua, conforme se perfora el suelo. • Con Bauer de circulación inversa, con estos equipos se opera con el principio de un air-lift, para la construcción de pilotes estos equipos pueden perforar profundidades mayores a 100 mts. La selección de la perforadora mas adecuada para un proyecto dado, dependerá de las características que presenten los materiales del lugar, así como del diámetro y profundidad de las perforaciones por realizar. A continuación se muestra una lista de perforadoras con Barretón o Kelly telescópico y de Hélice continua, que son más utilizados en la construcción de cimentaciones profundas: 156 TABLA 3.2 PERFORADORAS MAS UTILIZADAS PERFORADORAS DE BARRETÓN O KELLY TELESCÓPICO Marca Bauer (Alemania) Diámetro máx. Profundidad (m) máx. (m) 9,486 1.20 40 S/Oruga 22,440 1.80 57 BG22S S/Oruga 22,440 3.00 57 BG30 S/Oruga 37,434 3.00 63 BG50 S/Oruga 37,434 3.00 83 125CH S/Grúa 17,300 - Opcional 400CH 55,300 - Opcional - 3.00 26 Modelo Tipo Par kg-m BG9 S/Oruga BG22H Calwelld 200C S/Grúa S/Camión (USA) 42LH S/Camión - 2.10 30 5200LH S/Camión - 3.50 52 ADL 9,000 1.50 18 Catdrill 18 S/Camión S/Grúa 12,000 2.50 80 Catdrill 22 S/Grúa 22,000 2.50 54 B10HS S/Oruga-camión 10,000 1.50 35 B12HS S/Oruga-camión 12,200 1.80 45 B18HS S/Oruga 18,300 2.00 73 RT3-S S/Grúa 21,000 2.20 78 R-16 S/Oruga 16,000 2.00 60 R-15 S/Oruga 15,600 2.00 60 R-10 S/Oruga 10,000 1.50 46 9,700 1.50 S/Oruga PERFORADORAS DE HÉLICE CONTINUA 34 Casagrande (Italia) Soilmec (Italia) CM-39 Bauer BG14 S/Oruga 14.28 0.90 14.9 (Alemania) BG30 S/Oruga 37.43 1.20 21.6 LH-CFA17 S/Oruga 9.99 0.60 17 HD-CFA21 S/Oruga 9.99 0.80 21 HD-CFA24 S/Oruga 9.99 1.00 24 R-16 S/Oruga 16.00 1.10 21.5 SM-49 S/Oruga S/Grúa 8.85 0.95 23.5 6.10 0.80 32 Casagrande (Italia) Soilmec (Italia) HY-42 157 b) Perforadoras por percusión. Las perforadoras por percusión, a través de un sistema, que puede ser mecánico-neumático o hidráulico, transmiten una serie rítmica de impacto al material por perforar, por medio de un elemento de corte o ataque, llamado martillo de fondo. Su aplicación principal es en rocas, ya que en suelos se reduce su eficiencia. Para cimentaciones profundas pueden alcanzar hasta los 100 cm de diámetro, como se indica en la siguiente tabla: TABLA 3.3 CARACTERÍSTICAS DE PERFORADORES DE FONDO Frecuencia de Diámetro de Peso del perforación (cm) martillo (Kg) Champion 180 45-61 1,492 950 944 Champion 240 61-86 2,488 925 1,322 Champion 330 83-109 5,707 925 2,454 Modelo operación (golpes/minutos) Consumo de aire* (L/s) * Operando con una presión de 10.2 x 10^5 Pa. 3.2.3.3 OSCILADORAS DE ADEMES Equipo utilizados para el uso de ademes, con un movimiento rotacional alterno y una fuerza vertical. Se utilizan combinados con perforación rotatoria o la extracción de material. Usualmente están acoplados a una perforadora rotatoria sobre orugas, con la que se comparte la central hidráulica, aunque también operan en forma independiente, con una central propia. En la siguiente tabla se presentan algunos modelos y capacidades de osciladoras: 158 TABLA 3.4 OSCILADORAS DE ADEMES Marca Bauer Casagrande Soilmec Modelo Diámetro máx. (cms) Par de torsión (KN-m) BV 880-04 - 450 BV 10-04 - 1,000 GSP-S-1000 220 1,280 GSP-S-1500 270 1,830 GSL-S-1000 205 1,200 MGT-700 180 550 MGT-1000 200 1,200 MGT-1500 250 2,200 3.2.3.4 MARTILLOS PARA HINCADO Son equipos que generan impacto en serie para el hincado de pilotes. Los martillos piloteadores originales, fueron masas de caída libre, que se colocaban en posición previa al descenso mediante sistemas manuales o mecánicos. Con el desarrollo de la tecnología se utilizó vapor de agua o aire comprimido para levantar la masa que cae; mejoras posteriores dieron lugar al uso del vapor y aire comprimido para acelerar la caída de la masa durante su descenso lográndose una mayor energía en el impacto. Los más comunes, son martillos de combustión interna que emplean diesel como combustible para levantar la masa golpeadora, al mismo tiempo que se aprovecha su explosión para incrementar el impacto del hincado. Existen diversos tipos de martillos para el hincado de pilotes: 159 TABLA 3.5 TIPOS DE MARTILLO PARA EL HINCADO Elemental Caída libre Vapor Acción simple Neumáticos Diferenciales Vapor Doble acción Neumáticos Hidráulicos Abiertos Diesel Cerrados Baja frecuencia, mayor de 40 Hz Vibratorios Alta frecuencia, mayor de 140 Hz Vibratorios - Impacto - Los tipos de martillos más usados son los de doble acción y de tipo hidráulico, a manera de ejemplo, a continuación se presentan los martillos IHC, de la serie S y SC: Serie “S”. El peso de la masa de golpe de la serie S, es relativamente ligero, la velocidad de impacto hace que estos martillos sean ideales para hincar pilotes de acero (tubos), vigas H y pilotes en la costa. TABLA 3.6 CARACTERÍSTICAS MARTILLO “S” CARACTERISTICAS UNIDAD S-35 S-70 S-90 S-200 Energía del golpe máximo sobre el pilote. kNm 35 70 90 200 Energía del golpe mínima sobre el pilote. kNm 2 2 2 10 Número de golpes a energía máxima. bl/min 60 50 50 45 Pistón/masa de golpe Ton 3 3.5 4.5 10 Martillo con pistón en el aire. Ton 7.3 8.3 9.2 24.5 Diámetro exterior del martillo. cm 61 61 61 91.5 Longitud del martillo. cm 560 713 788 892 Datos de operación. Pesos Dimensiones 160 Serie “SC”. Este tipo de martillos tienen una velocidad de impacto más baja que el de la serie S, por ser el pistón más pesado. Son la mejor elección para hincar pilotes de concreto ó para usarse en diferentes obras. TABLA 3.7 CARACTERÍSTICAS MARTILLO “SC” CARACTERISTICAS UNIDAD SC-30 SC-50 SC-60 SC-110 Datos de operación. Energía del golpe máximo sobre el pilote. kNm 30 50 60 110 Energía del golpe mínima sobre el pilote. kNm 1 1 3 6 Número de golpes a energía máxima. bl/min 50 50 50 40 Pistón/masa de golpe Ton 1.7 3.3 6 7.9 Martillo con pistón en el aire. Ton 4.1 5.9 9.5 14.1 Diámetro exterior del martillo. cm 60 66 76.2 102 Longitud del martillo. cm 506 528 604 560 Pesos Dimensiones 3.3 CONTROL DE CALIDAD Y SEGURIDAD EN LA CONSTRUCCIÓN 3.3.1 CONTROL DE CALIDAD A continuación se describen las características de los materiales comúnmente empleados en la construcción de pilotes y pilas, así como también las exigencias para el control de calidad del material y del producto terminado. Como complemento del control de calidad, se hará referencia donde corresponda a las normas aplicables en nuestro país, tales como: ASTM (American Society for Testing and Materials), ACI (American Concrete Institute), AWS (American Welding Society), API (American Petroleum Institute), NOM (Norma Oficial Mexicana) y otras. 161 3.3.1.1 ACERO DE REFUERZO El acero de refuerzo debe satisfacer la norma ASTM A-615M-96, “Varillas corrugadas y lisas de acero, procedentes de lingote o palanquilla, para acero de refuerzo”, y por consiguiente cumplir con las características físicas y químicas establecidas. a) Características Físicas: se refieren a la resistencia a la tensión, al diámetro, peso unitario, dimensiones y espaciamiento de las corrugaciones, y el doblado. Las varillas de esta norma se clasifican, conforme a su límite de fluencia mínimo, en dos grados: 40 y 60. - El diámetro nominal de una varilla corrugada es equivalente al de una varilla lisa que tenga la misma masa nominal que la varilla corrugada. - El número de designación de las varillas corrugadas corresponde al número de octavos de pulgada de su diámetro nominal. TABLA 3.8 NÚMERO DE DESIGNACIÓN, MASAS, DIMENSIONES NOMINALES Y REQUISITOS DE CORRUGACIÓN PARA REFUERZO DE CONCRETO Numero de designación 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Masa nominal kg/m 0.248 0.560 0.994 1.552 2.235 3.042 3.973 5.060 6.404 Dimensiones nominales A B C mm mm² mm 6.4 32 20 9.52 71 29.9 12.7 129 39.9 15.88 200 49.9 19.05 284 59.8 22.22 387 69.8 25.4 510 79.8 28.65 645 90.0 32.26 819 101.4 A: diámetro B: área de la sección transversal C: perímetro Requisitos de corrugación D E F mm mm mm 4.5 0.2 2.4 6.7 0.4 3.6 8.9 0.5 4.9 11.1 0.7 6.1 13.3 1.0 7.3 15.5 1.1 8.5 17.8 1.3 9.7 20 1.4 10.9 22.3 1.6 12.2 D: espaciamiento máximo promedio E: altura máxima promedio F: distancia máxima entre estremo de corrugaciones transversales 162 TABLA 3.9 REQUISITOS DE TENSIÓN Grado A B MPa MPa Alargamiento mínimo en 203 mm, por designación % (Kg/cm²) (Kg/cm²) 40 60 500 300 (4,921) (2,812) 620 420 (6,348) (4,218) 3 4,5,6 7 8 9 10 11 12 11 10 9 8 9 9 8 8 7 7 A: resistencia minima a la tensión; B: límite de fluencia mínimo. TABLA 3.10 REQUISITOS DE DOBLADO A 180º Diámetro del vástago Número de asignación Grado 40 Grado 60 3,4,5 3.5d 3.5d 6 5d 5d 7,8 - 5d 9,10 - 7d d: diámetro nominal de la muestra. Las muestras deben doblarse alrededor de un vástago, sin agrietarse en la parte exterior de la zona doblada. La prueba debe realizarse a temperatura ambiente y en ningún caso a menos de 16 grados centígrados. b) Características Químicas: deberá verificarse que en análisis de la colada el contenido de fósforo no exceda de 0.05% y que en el análisis del producto terminado no exceda de 0.0625%. c) Muestreo: para los ensayos de tensión, doblado y determinación de las características dimensiónales y de la corrugación, se debe tomar una muestra de cada diámetro por cada 10ton ó fracción, ó por cada embarque o entrega, lo que sea menor. Para el análisis químico de la colada y del producto terminado se debe tomar una muestra de la colada durante el vaciado y en varillas representativas de dicha colada, respectivamente. 163 3.3.1.2 SOLDADURA. El acero de refuerzo de 1¨ y mayor no se debe traslapar sino que se debe soldarse a tope o unirse mediante un dispositivo roscado (copplers), tipo Dividag o similar. Debe cumplir con las normas siguientes: ACI 439.3R-91, ASTM E 1032-95/142-92/94-93, ANSI/AWS/D 1.4-98 y NOM-H-121-1988. a. Calificación del soldador: Antes de iniciar cualquier trabajo de soldadura se debe calificar al soldador en la posición y de tipo de soldadura que debe realizar. La calificación debe realizarse por un inspector calificado, quien emitirá un reporte indicando la aceptación o rechazo del soldador. b. Radiografías: tomar radiografías de una unión soldada constituye una prueba no destructiva. Las radiografías deben tomarse de conformidad con las normas antes mencionadas cuando estas sean mayores a 1¨. Con el producto terminado, se acostumbra acordar entre el contratista y el dueño o el supervisor, cuantas uniones se van a examinar. De los resultados obtenidos se decide la aceptación o rechazo del lote. 3.3.1.3 AGUA El agua para la fabricación de los lodos de perforación y del concreto deberá ser potable, limpia, fresca y libre de materia orgánica e inorgánica, ácidos y álcalis, en suspensión o en solución, y de cualquier sustancia que pueda causar efectos deletéreos en el concreto, en cantidad tal que puedan afectar la calidad y durabilidad del lodo de perforación o del concreto. Debe cumplir con las siguientes normas: ASTM C 685-98.a ó NOM-C-122-1982. Podrá obtenerse de fuentes públicas o de pozos, pero no de las excavaciones. No deberá utilizarse agua no potable en el concreto, a menos que se cumpla con las siguientes condiciones: 164 1) La selección de las proporciones del concreto debe basarse en mezclas de concreto utilizando de la misma fuente. 2) Los cubos de mortero para pruebas, hechos con agua no potable, deben tener resistencias iguales a los 7 y 28 días, de por lo menos 10% de la resistencia de muestras similares hechas con agua potable. La compasión de las prueba de resistencia debe hacerse en muestras idénticas, excepto por el agua del mezclado, elaborados y probados de acuerdo con las normas ASTM C-109 “Test Meted fot Compresive Strength of Hidraulic Cement Mortars”. TABLA 3.11 VALORES CARCTERÍSTICOS Y LÍMITES TOLERABLES DE SALES E IMPUREZAS Límites en ppm. Impurezas Cemento rico en Cemento sulfato calcio resistente En aguas naturales (limos y arcillas) 2000 2000 En aguas recicladas (finos de cemento y agregados) 50000 35000 400 600 700 1000 Sulfatos, como SO4** 3000 3500 Magnesio, como Mg++* 100 150 Carbonatos, como CO2 600 600 Dióxido de carbono, disuelto como CO2 5 3 Álcalis totales, como Na+ 300 450 Total de impurezas en solución 3500 4000 Grasas y aceites 0 0 Materia orgánica (oxígeno consumido en medio ácido) 150 150 No menos de 6 No menor de 6.5 Sólidos en suspensión Cloruros, como Cl* Para concreto con acero de preesfuerzo y piezas de fuentes** Para otros concretos reforzados en ambiente húmedo o en contacto con metales, como aluminio, hierro galvanizado y otros similares*** Valor del PH 165 * Las aguas que excedan los limites enlistados para cloruros, sulfatos y magnesio, podrán emplearse si se demuestra que la concentración calculada de estos compuestos en el agua total de la mezcla, incluyendo el agua de absorción de loa agregados u otros orígenes, no excede dichos limites. ** El agua se puede usar siempre y cuando las arenas que se empleen en el concreto acusen un contenido de material orgánica cuya colaboración sea inferior a 2, de acuerdo con el método de la norma NMX-C-088-1997-ONNCCE. *** Cuando se use cloruro de calcio (CaCl 2) como aditivo acelerante, la cantidad de este deberá tomarse en cuenta para no exceder el límite de cloruros de esta tabla. 3.3.1.4 AGREGADO FINO Material conocido como arena, que pasa por la malla 4.75mm, 0.187in (No 4) y se retiene en la malla 0.075mm (No 200). El agregado fino esta formado por material natural procesado, una combinación de ambos o artificial. a) Granulometría: deberá satisfacer la granulometría mostrada en la tabla 3.12, de acuerdo a las normas ASTM C-33 ó NMX C-111-1992. TABLA 3.12 GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO FINO Material retenido* Criba % 9.5 mm (3/8”) 0 4.75 mm (No.4) 0–5 2.36 mm (No.8) 0 – 20 1.18 mm (No.16) 15 – 50 0.60 mm (No.30) 40 – 75 0.30 mm (No.50) 70 – 90 0.15 mm (No.100) 90 – 98 * acumulado en masa 166 1) Estar dentro de la zona que establece la tabla 3.12, excepto en los casos que se indican en el párrafo 3 y 4. 2) El modulo de finura debe estar comprendido entre 2.30 y 3.10, con una tolerancia de +/0.20, con respecto al valor del modulo de finura empleado en el diseño del proporcionamiento del concreto. 3) El retenido parcial de la masa total en cualquier malla no debe ser mayor de 45%. Pueden aumentarse los porcentajes del retenido acumulado de la masa ensayada en la malla MO.300 (No 50) y MO.150 (No 100) a 95 y 100%, respectivamente, siempre y cuando el contenido de cemento sea mayor de 250kg/m³ (2452N/m³) para concreto con aire incluido, o mayor de 300kg/m³ (2943N/m³) para concreto sin aire incluido, o bien, supliendo las diferencias del material que pase por esta malla, mediante la adición de un material finamente molido y aprobado. NOTA: Se considera concreto con aire incluido, aquel que tiene un contenido de aire mayor de 3% fabricado con un cemento o aditivo inclusor de aire. 4) En el caso de que los agregados que pretendan emplearse, no cumplan con las tolerancias indicadas en los incisos 1), 2) y 3), pueden usarse siempre y cuando se tengan antecedentes de comportamiento aceptables, en el concreto elaborado con ellos, o bien, que los resultados de las pruebas realizadas a estos concretos sean satisfactorias, en este caso, los agregados se pueden usar siempre que se haga el ajuste apropiado al proporcionamiento del concreto, para compensar las diferencias en la granulometría. 167 b) Sustancias nocivas: TABLA 3.13 GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO FINO Concepto Material retenido* Grumos de arcillas y partículas deleznables 0.3 Carbón y lignito En concreto aparente 0.5 En otros concretos 1.5 Materiales finos que pasan la malla No.200 en concreto: Sujeción a la abrasión 3.0* En otros concretos 5.0* * En masa de la muestra total, en %. ** En el caso de material fino que pasa por la malla F0.075 mm (No 200), si este es producto de la desintegración de rocas, los porcentajes límites se incrementan a 5 y 7%, respectivamente. Los materiales que rebasen estos límites deben estar sujetos a la aprobación del usuario. b) Sanidad y materia orgánica: El agregado fino, sometido a cinco ciclos del método de prueba que establece la NOM-C-75-1985, debe tener una perdida de masa no mayor de 10% con sulfato de sodio, o 15% si se usa sulfato de magnesio. El agregado fino que no cumpla con lo anterior, podrán aceptarse si existen antecedentes documentales de su empleo en concretos de propiedades semejantes, elaborados con agregados del mismo banco que causan un comportamiento satisfactorio en condiciones de intemperismo semejantes a las que se va a someter el nuevo concreto. El agregado fino debe de estar libre de cantidades perjudiciales de impureza orgánicas. Los agregados que al efectuar la prueba a la que se refieren las normas, den un color mas oscuro que el No.3 deben rechazarse, excepto si se demuestra que la coloración es debida a la presencia de pequeña cantidades de carbón, lignito o partículas semejantes, o bien, si se 168 demuestra que el efecto de las impurezas orgánicas en morteros ensayados a 7 días dan resistencias no menores del 95%, conforme al método establecido. 3.3.1.5 AGREGADO GRUESO. Material conocido como grava, que es retenido en la malla 4.76mm, 0.187in (No.4) constituidos por cantos rodados, triturados o procesados, rocas trituradas, escoria de alto horno, escoria volcánicas, concreto reciclado o una combinación de ellos u otros, y cuya composición granulométrica varia dentro de los limites de la tabla 3.14. a) Granulometría: para pilas y pilotes el agregado máximo usual es de 19mm (¾”). En la tabla 3.3.1.7 se dan los requisitos granulométricos para gravas desde 25mm (1”) hasta 9.5(3/8”). Cuando se tenga agregados gruesos fuera de los límites antes indicados, deberán procesarse para satisfacer dichos límites. En el caso de aceptar que los agregados no cumplan dichos límites, deberá ajustarse el procedimiento del concreto para compensar las deficiencias granulométricas, por lo tanto, deberá demostrarse que el concreto tiene un comportamiento adecuado. TABLA 3.14 GRANULOMETRÍA DEL AGREGADO GRUESO Tamaño nominal 37.5 25.0 19.0 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 (mm) (1 ½”) (1”) (3/4”) (1/2”) (3/8”) (No.4) (No.8) (No.16) 25.0 a 12.5 100 90 a 100 20 a 55 0 a 10 0a5 - - - 25.0 a 9.5 100 90 a 100 40 a 85 10 a 40 0 a 15 0a5 - - 25.0 a 4.75 100 95 a 100 - 25 a 60 - 0 a 10 0a5 - 19.0 a 9.5 - 100 90 a 100 20 a 65 0 a 15 0a5 - - 19.9 a 4.75 - 100 90 a 100 - 20 a 55 0 a 10 0a5 - 12.5 a 4.75 - - 100 90 a 100 40 a 70 0 a 15 0a5 - 9.5 a 2.36 - - - 100 85 a 100 10 a 30 0 a 10 0a5 169 b) Sustancias nocivas: el agregado grueso deberá satisfacer lo indicado en la tabla 3.15. Es de esperarse que los límites correspondientes a cada clase designada, sean suficientes para asegurar un comportamiento satisfactorio del concreto para los diferentes tipos de concretos y partes de la obra. Cuando no puedan conseguirse estos agregados de calidad adecuada para satisfacer, por lo menos, algunos de los usos mencionados, estos pueden cumplir al someterlos al tratamiento adecuado. TABLA 3.15 LIMITES MÁXIMOS DE CONTAMINACIÓN Y REQUISITOS FÍSICOS DE CALIDADDEL AGREGADO GRUESO EN PORCENTAJE G Elementos A B C D E F Región de intemperismo No expuestos a la intemperie: zapatas de Cimentación, columnas, vigas y pisos interiores 10.0 2.0 1.0 50 Con recubrimiento Pisos interiores, sin recubrimiento 5.0 2.0 1.0 50 Expuestos a la intemperie: muros de Cimentaciones, muros de retención, pilas, 5.0 6.0* 8.0 2.0 0.5 50 Muelles y vigas Sujetos a exposición frecuente de humedad: Pavimentos, losas de puentes, andadores, 4.0 5.0 6.0 2.0 0.5 50 Patios, pisos de entrada y estructuras marítimas Expuestos a la intemperie concretos arquitectónicos 2.0 3.0 4.0** 2.0 0.5 50 Región de intemperismo apreciable Losas sujetas a tráfico abrasivo: Losas de puentes, pisos, andenes y pavimentos: Concreto arquitectónico 4.0 2.0 0.5 50 Otras clases de concretos 8.0 2.0 1.0 50 A. Total de terrones de arcilla y partículas deleznables B. Partículas de roca sílice con masa específica menor de 2.4 C. Suma de los conceptos anteriores D. Material fino que pasa la malla No.200 E. Carbón y lignito F. Pérdida por abrasión G. Pérdida en la prueba de sanidad (intemperismo acelerado) * Ver nota 4 ** Ver nota 2 170 Sulfato de sodio Sulfato de magnesio - - - - 12 18 12 18 12 18 - - NOTAS: 1) Esta limitación se aplica a materiales donde la roca sílice alterada se encuentra como impureza, no es aplicable al agregado grueso que es predominantemente de sílice alterada. La limitación del uso de tales agregados se basa en el antecedente de servicio en donde se empleen tales materiales. 2) En el caso de agregados triturados, si el material que pasa por la malla No.200 es del producto de la pulverización de rocas exentas de arcilla y/o pizarras, este límite puede incrementarse a 3%. 3) La pérdida por abrasión del agregado grueso debe ser determinada en una muestra con granulometría lo más cercana a la que va a ser usada en la producción del concreto. Cuando se use más de un tamaño o más de una granulometría en un solo tamaño, el límite de abrasión debe aplicarse a cada una de ellas. Las escorias de altos hornos enfriadas al aire, trituradas, quedan excluidas de los requisitos de abrasión, la masa volumétrica compacta de estos materiales de 1,120 Kg/m³. 4) Para construcciones de concreto en regiones cuya altitud sea mayor de 3,000 m sobre el nivel del mar, estos requisitos deben reducirse en un 1%. 3.3.1.6 CEMENTO El cemento es el conglomerante hidráulico que resulta de la pulverización del clinker a un grado de finura determinado, al cual se le adiciona sulfato de calcio y agua. El clinker es el material sintético granular, resultante de la cocción a una temperatura de 1,400°C de materias primas de naturaleza calcárea y arcilloferuginosa, previamente triturados, dosificados, mezclados, pulverizados y homogeneizados. Esencialmente está constituido de silicatos, aluminatos y ferroaluminatos cálcicos. El cemento internacionalmente utilizado es el tipo Pórtland, que debe satisfacer la norma ASTM C 150-98. Entre los tipos de cemento Pórtland tenemos: ordinario, puzolánico, con escoria granulada de alto horno, y compuesto. La composición de los tipos de cementos se define en la siguiente tabla: 171 TABLA 3.16 COMPOSICIÓN DE LOS CEMENTOS EN PORCENTAJES Componentes Tipo Denominación Clinker Portlan + yeso CPO de alto Materiales Humo Puzolánicos de (3) Sílice horno Caliza Minoritarios (2) 95-100 - - - - 0-5 50-94 - 6-50 - - 0-5 40-94 6-60 - - - 0-5 50-94 6-35 6-35 1-10 6-35 0-5 90-99 - - 1-10 - 0-5 Cemento Pórtland Puzolánico CPEG granulada Cemento Pórtland ordinario CPP Escoria Cemento Pórtland con escoria de alto horno CPC Cemento Pórtland comupuesto (1) CPS Cemento Pórtland con humo de sílice NOTAS: 1) El cemento Pórtland compuesto debe llevar como mínimo dos componentes principales, excepto cuando se adiciones caliza, ya que esta puede ser en forma individual en conjunto de clinker más yeso. 2) Componentes minoritarios, deben ser uno o mas de los componentes principales, a menos que estén incluidos ya como tales en el cemento. 3) Los materiales puzolánicos incluyen: puzolánas naturales, artificiales y/o cenizas volantes. Los cementos se clasifican también por su resistencia mecánica a la compresión en cinco clases, definidas en la siguiente tabla: 172 TABLA 3.17 ESPECIFICACIONES MECÁNICAS Y FÍSICAS DEL CEMENTO Resistencia a la compresión Tiempo de fraguado Estabilidad de volumen en (Nt/mm²) (mín.) % Clase resistente 3 días 28 días Inicial Final Expansión Contracción mínimo mínimo máximo mínimo máximo mínimo máximo 20 (*) 20 40 45 600 0.8 0.2 30 (*) 30 50 45 600 0.8 0.2 30R 20 30 50 45 600 0.8 0.2 40 (*) 40 - 45 600 0.8 0.2 40R 30 40 - 45 600 0.8 0.2 (*) Resistencia inicial: para un cemento es la resistencia mecánica a la compresión a los tres días. Para indicar que un tipo de cemento debe cumplir con una resistencia inicial especificada, se le agrega la letra R después de la clase. Solo se definen valores de resistencia inicial a 30R y 40R. 3.3.1.7 ADITIVOS Es un material diferente del agua, de los agregados y del cemento, que se emplea como complemento del mortero o concreto, y que se agrega a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado, para modificar algunas de las características del concreto. Estos aditivos pueden ser químicos (ver tabla 3.18) y minerales, satisfaciendo con las normas ASTM C 309-98, 494-98a, 618-99. Los aditivos minerales se presentan generalmente pulverizados, con finura mayor que la del cemento, y sirve para mejorar las propiedades físicas del concreto fresco, especialmente cuando se están usando agregados de granulometría diferente. Estos aditivos se clasifican en tres tipos: • Químicamente inertes: son la bentonita, la cal hidratada, el talco, los suelos cuarzosos y los suelos calizos. 173 • Puzolánicos: son los materiales silíceos o sílico-alumínicos, que en sí no poseen o poseen poco valor cementante, pero que finalmente pulverizados y en presencia de la humedad reaccionan con el hidróxido de calcio, a temperaturas normales, formando un compuesto que posee propiedades cementantes. Entre los puzolánicos se encuentran las cenizas y vidrios volcánicos, las tierras diatomáceas, algunas lutitas. • Cementantes: son los cementos naturales, cales hidráulicas, los cementos de escoria (mezcla de escoria de fundación con cal) y escoria de fundición de hierro granulado. TABLA 3.18 TIPOS DE ADITIVOS QUÍMICOS Tipo Características I Reductores de agua Observaciones Disminuyen la cantidad de agua de mezcla requerida para producir concreto de una consistencia dada. Prolonga el tiempo de fraguado y el desarrollo de II Retardantes de fraguado resistencia del concreto, sin modificar necesariamente el contenido de agua de la mezcla. Recorta el tiempo del fraguado y el desarrollo de la III Acelerantes de fraguado resistencia del concreto, sin modificar necesariamente la cantidad de agua de la mezcla. Prolonga el tiempo de fraguado y reduce la cantidad de IV Retardantes y reductores de agua agua de mezcla requerida para producir concreto de una resistencia dada. Acorta el tiempo del fraguado y el desarrollo de V Acelerantes y reductores de agua resistencia del concreto y disminuyen la cantidad de agua de mezcla requerida para producir concreto de una consistencia dada. Disminuyen la cantidad de agua de mezcla requerida, VI Súper reductores de agua para producir concreto de una resistencia dada, en una cantidad considerablemente mayor que los reductores de agua normales. Prolongan el tiempo de fraguado y reducen la cantidad de VII Súper reductores de agua y retardantes agua de la mezcla requerida para producir concreto de una resistencia dada, en una magnitud mayor que los retardantes y reductores de agua normales. 174 3.3.1.8 CONCRETO El concreto es un material compuesto, formado esencialmente por un medio cementante en el cual están embebidas partículas o segmentos de agregados y aditivos, si es el caso. El concreto de cemento hidráulico, el cementante lo forma una mezcla (pasta) de cemento y agua. A continuación se hacen referencias a las normas técnicas que rigen el concreto: • ACI: 211.5R-96, 214-89, 304.11R-92, 308-92, 309-1R-96, 516R-65, 517-2R-92. • ASTM C : 31/C M-98, 33-99, 39-96, 94N-99, 109/C 109M-99, 138-92, 143M-98, 171-97, 172-97, 173-94, 231-97, 309-98, 617-98. a) Proporcionamiento: El proporcionamiento de los constituyentes de la mezcla debe efectuarse de acuerdo a la norma ACI 211.5R-96, en el entendido de que se están usando materiales que satisfagan los requisitos de calidad exigido en las normas respectivas. b) Fabricación: La fabricación del concreto debe cumplir con la norma ACI 304.11R-92, de acuerdo al tamaño de la obra, el concreto podrá ser fabricado en obra ó premezclado en una planta y transportado al sitio mediante camiones mezcladores y/o agitadores, de conformidad con las normas ASTM C 94-98c. c) Colocación: La colocación del concreto debe cumplir con la norma ACI 304-1R-92. La consolidación debe efectuarse por vibración, de conformidad con la norma ACI 309.1R-96, con excepción de las pilas o pilotes colados en el lugar, en las que el concreto se coloca con tubería Tremie y no requieren vibración. 175 d) Curado: El curado consiste en mantener un contenido satisfactorio de humedad y temperatura en el concreto recién colado, para que se puedan desarrollar las propiedades requeridas. Debe efectuarse con la norma ACI 308.1R-98, y puede efectuarse mediante: • Curado con agua: por anegamiento o inmersión, rociado de niebla o aspersión, costales, mantas de algodón y alfombras húmedas, tierra húmeda, arena y aserrín húmedos, paja o heno húmedos. • Materiales selladores: partículas plásticas, debe cumplir con los requisitos de la norma ASTM C 171-97a. Papel impermeable, debe cumplir con los requisitos de las normas ASTM C 171-97a. • Membranas de curado: es un líquido que se aplica a la superficie de concreto terminada, debe cumplir con la norma ASTM C 309-98a. • Curado con vapor a alta presión: debe cumplir con los requisitos de las normas ACI 516R-65; y a baja presión debe cumplir con los requisitos de la norma ACI 517-2R92. e) Especimenes de concreto: Para el control de calidad del concreto mediante muestreo y ensayo de especimenes cilíndricos estándar de 15cm de diámetro por 30.48cm de altura, salvo que se especifique otro tamaño, se deberá satisfacer las siguientes normas: ASTM C 39, 617, 143, 31, 172, 138. Para la evaluación de los resultados de control de calidad de los ensayos cilíndricos se seguirán los requisitos de la norma ACI 214-89. 3.3.2 PRUEBAS DE VERIFICACIÓN DEL CONCRETO DE LOS PILOTES TERMINADOS. Entre los métodos utilizados para la verificación del concreto de los pilotes o pilas terminados se encuentran los siguientes: Métodos directos e indirectos, los cuales deben satisfacer con las normas ASTM C 39-96, 42M-99, 174-97, 597-97, 803M-97, 805-97, 90093 y 1040-93. 176 A continuación se describen algunos de estos métodos utilizados internacionalmente: 1- Métodos Directos: Se entienden como tales a los métodos destructivos: a) Prueba de muestreo: se realiza con una broca de diamante accionada por una perforadora de rotación para muestrear el concreto endurecido, recurriendo a la extracción de corazones, el muestreo debe hacerse hasta que el concreto tenga el endurecimiento suficiente para permitir la extracción del corazón sin alterar la adherencia entre el concreto y el agregado grueso. Se considera que para obtener corazones sanos, el concreto debe tener como mínimo, 14 días de edad. El muestreo debe realizarse de conformidad a las normas ASTM C 42-99. Este método presenta los siguientes inconvenientes: • El costo es alto, ya que las brocas de diamante son caras. • Es imposible detectar anomalías en toda la sección transversal de las pilas o pilotes, ya que generalmente las perforaciones se realizan al centro de la misma y, dado lo reducido de su diámetro deja incertidumbre acerca del estado que guarda la pila o pilote cerca de la periferia. • La resistencia obtenida de los corazones de concreto tiende a estar por debajo de la obtenida de cilindros, fabricados durante el colado, por lo que la decisión sobre la calidad de la pila o pilote debe considerar esta condición. • El tiempo de ejecución de la perforación es considerablemente largo. b) Prueba de extracción: este método mide la fuerza requerida para extraer una varilla de acero previamente colada con el extremo y embebido. Debido a su forma, el ensamblaje de varilla de acero se extrae junto con un trozo de concreto con la forma aproximada de un tronco de cono. Esta prueba debe cumplir con la norma ASTM C 900-93. La resistencia de la extracción se calcula con la relación de la fuerza al área idealizada del cono truncado, y es cercana a la resistencia del corte de concreto. Se correlaciona con la 177 resistencia a la compresión de cilindros estándar o con la de corazones para una amplia gama de condiciones de curado y de edad. 2- Métodos Indirectos: Entendiendo como tales a los métodos no destructivos: a) Prueba de integridad de pilotes (PIT): Es un equipo que permite realizar pruebas de integridad de pilotes de modo no destructivo, con lo cual no se dañan las estructuras por el hincado o colado in situ. El funcionamiento ocurre a través de un pequeño martillo que cuando golpea un acelerómetro conectado al PIT, genera una onda comprensiva la cual desciende por el pilote. Esta onda cuando encuentra algún cambio en la sección transversal o en la calidad del concreto, crea una onda de tensión ascendente, que más tarde se observa en la cabeza del pilote. Los registros, posteriormente son capaces de mostrar la velocidad de la onda en los distintos sectores del pilote y a través de esto se obtiene la localización de los defectos. La magnitud del defecto, se obtiene por la magnitud de la reflexión temprana. Estas pruebas son rápidas, económicas de realizar y permiten que un operador, en un solo día, aplique las pruebas en un gran número de pilotes o pilas ya colocados. Realización de Prueba PIT en un pilote colado in situ. 178 El equipo de campo, esta compuesto por: • PIT, instrumento muy compacto y construido sin partes movibles para condiciones de campo duras, transportables fácilmente y que permite la operación de una persona. • Martillo • Acelerómetro b) Ensayo dinámico de pilotes (PDA): Este ensayo principalmente determina la capacidad de ruptura de la interacción entre el pilote y el suelo, para esfuerzos estáticos axiales. Difiere de las tradicionales pruebas de carga estáticas por el hecho de que la carga es aplicada dinámicamente, a través de golpes de un sistema de percusión adecuado. La medición se hace por medio de la instalación de sensores en el fuste, en una sección situada por lo menos dos veces el diámetro del pilote abajo de su cabeza. Las señales de los sensores son enviadas por cable al equipo PDA, donde son almacenadas y procesadas. En pilotes colados “in situ”, es recomendable hacer una preparación previa, la que consiste en la ejecución de un cabezal de concreto para recibir los impactos. Los sensores deben ser instalados preferentemente en el fuste del pilote, y no en el cabezal. Realización de Prueba PDA en pilotes colados in situ, utilizando sensores. 179 Los golpes son aplicados por cualquier sistema capaz de liberar un peso en caída libre. Debe usarse madera contrachapada, a veces encimadas por una chapa metálica, para amortiguamiento de los golpes. c) Prueba Cross Hole: consiste en la emisión de una vibración que se genera dentro de un tubo lleno de agua, que se coloca fijo en el armado, previo al colado. La captación de esta onda se realiza por medio de un receptor colocado al mismo nivel del emisor pero en otro tubo; la operación se repite a lo largo del elemento, obteniéndose una gráfica en la cual se aprecia el tiempo de preparación de las ondas captadas. Cada anomalía detectada se caracteriza por una disminución drástica de la amplitud de onda, captada y en un incremento de tiempo de recorrido. Para la ejecución de este método de verificación se requiere que previamente sean colocados tubos metálicos a lo largo de todo el elemento. De la cantidad de estos dependerá la precisión de la verificación. Este método presentas las siguientes ventajas: • Buena localización de anomalías tanto en profundidad como en la sección de las pilas y pilotes, siempre que sea suficiente el número de tubos para la ejecución de la prueba. • Interpretación en forma inmediata. • Registro continuo en toda la longitud del elemento. Una desventaja de este método es la imposibilidad de detectar la calidad del concreto entre la pila o pilote y el terreno natural, la máxima distancia recomendada entre los sensores es de 1.50m. 180 3.3.3 SUPERVISION DURANTE LA CONSTRUCCIÓN DE PILAS O PILOTES La supervisión de la construcción de pilas y pilotes debe garantizar que se construyan de conformidad con las hipótesis de diseño y las especificaciones de construcción, y dentro de las tolerancias aceptables o, en caso de presentarse una desviación excesiva, proporcionar la información necesaria para poder aplicar medidas correctivas. El comportamiento de una cimentación profunda depende, en gran medida, de su construcción. La correcta selección del procedimiento y del equipo de construcción, la calidad de la mano de obra y el control estricto de todo el proceso, son aspectos esenciales en la construcción de una cimentación profunda. La supervisión debe realizarla el proyectista, contando con personal de amplia experiencia en los trabajos de construcción de cimientos profundos, y que tenga la preparación académica necesaria y suficiente para ver e interpretar lo que ve. Es necesario que la supervisión sea continua durante toda la construcción, a fin de asegurarse de que las condiciones del subsuelo sean congruentes con la del diseño y que la construcción se lleve a cabo de conformidad con: • Reconocer procedimientos de construcción eficientes. • Interpretar correctamente los registros de perforación y de los hincados de pilotes. • Evaluar adecuadamente las condiciones reales del subsuelo. 3.3.3.1 PILAS Y PILOTES COLADOS “IN SITU” a) Supervisión: La supervisión de construcción de las pilas y pilotes incluye, entre otros aspectos: • La corroboración de su localización. • La vigilancia durante la perforación. • El control de la fabricación y manejo del lodo de perforación, si se requiere. 181 • La protección del agujero, entendido como tal el cuidado de su estabilidad durante la perforación y durante la colocación del armado y del colado del concreto. • La protección de las construcciones vecinas. • La verificación de la verticalidad de la perforación y de las dimensiones del fuste y de la campana, si la hubiere. • La conformidad de la profundidad de desplante y de las características del material en que se apoyara el elemento. • La revisión del acero de refuerzo y que cuente con los elementos rigidizantes necesarios para su manejo. • La verificación de la calidad de los materiales de construcción. • La vigilancia del izado, manejo y colocación del acero de refuerzo. • La verificación de que los procedimientos de colocación del concreto y de manejos delos lodos sean los adecuados. Deberá realizarse con una brigada de topografía el trazo de cimentación, marcado con una estaca la localización del centro de cada elemento, indicando la profundidad de perforación y la de desplante. Una vez terminada la colocación del pilote o el colado de este deberá verificarse su posición real, siempre con una brigada de topografía, a fin de comparar con la tolerancia prevista. La supervisión deberá contar en obra con una copia del estudio geotécnico, el que, además de información general sobre secuencia estratigráfica, tipos de suelos y resistencia al corte, deberá contar con la siguiente información: • Presencia de estratos permeables de grava, arena o limo; niveles piezométricos en tales estratos. • Nivel piezométrico en el estrato de apoyo. • Caudal del agua que fluye de los estratos de apoyo hacia el barreno (aún en roca). • Presencia de obstrucciones grandes arriba del nivel de desplante y procedimientos para la remoción de las mismas. • Presencia de gas natural en el suelo o roca. • Análisis químico del agua freática. 182 • Caudal de descarga de las bombas de achiques, cuando se usen, y determinación del porcentajes de finos arrastrados por el agua. Para esto resulta útiles los tanques de sedimentación con cretas vertedoras. b) Excavación. Entre los puntos que se deben verificar o anotar durante la excavación, destacan: • Información general: fecha, condiciones atmosféricas, identificación individual, hora de inicio y de terminación de la excavación, equipo utilizado, personal. • Localización topográfica de la pila o pilote al inicio y al termino de la excavación. • Conformidad del procedimiento de excavación con las especificaciones de construcción o con la práctica correcta (se aconseja que toda obra de cimentación tenga sus propias especificaciones que rijan durante toda la construcción). • Verticalidad y dimensiones de la excavación a intervalos regulares. La verticalidad de la excavación se debe comparar con el valor de proyecto y con la desviación permisible especificada. • Bondad del método y equipo usado para atravesar estratos permeables, si los hubiere. • Bondad del método y equipo usado para atravesar grandes obstrucciones, si las hubiere. • Seleccionar adecuadamente la secuela de excavación y colado, cuando se contemple ejecutar simultáneamente varios pilotes o pilas relativamente cercanas, a fin de garantizar el movimiento del equipo, su seguridad, la de las construcciones vecinas, así como la estabilidad de las excavaciones. • Registro de los estratos de suelo atravesados durante la excavación. • Profundidad de empotramiento en el estrato de apoyo y cota del fondo de la perforación. • Elevación y geometría de la campana, si hubiere. • Calidad del estrato de apoyo (esto debe hacerse mediante inspección visual, siempre que sea posible). Para altas capacidades de carga se recomienda la obtención de núcleos y el ensayo in situ del material hasta una profundidad de 1 a 2 diámetros 183 bajo el nivel de desplante. El supervisor debe decidir cuando se a alcanzado el estrato de apoyo y cual es la profundidad correcta de los pilotes o pilas. • Limpieza del fondo y de las paredes de la excavación y del ademe permanente (o perdido), si lo hubiere, con la herramienta adecuada. • Gasto de filtración hacia la excavación. • Calidad del lodo bentonìtico, si se requiriera. • Perdida del lodo, si la hubiera (hora, elevación, cantidad). • Cuando la excavación atraviese arcillas blandas bajo el nivel freático, no debe extraerse la cuchara a velocidad tal que provoque succión y, en consecuencia, caídos. En este caso conviene subir la cuchara en etapas, permitiendo el establecimiento de la presión, o dejando en el centro de la misma una tubería que permita el rápido paso del lodo hacia la parte inferior de la cuchara mientras este suba despacio. Se debe evitar el uso indiscriminado de los lodos y el nivel del lodo deberá permanecerá lo mas arriba posible del nivel freático. c) Colado del concreto. Después de haber inspeccionado y aprobado la excavación, se puede proceder a colocar el acero de refuerzo y el concreto. Entre los aspectos que se deben verificar o anotar, destacan: • Información general: fecha, condiciones atmosféricas, identificación de los pilotes o pilas, hora de inicio y hora de terminación del colado. • Calidad del concreto: proporcionamiento, revenimiento, resistencia, agregado máximo, hora de mezclado, hora de salida, hora de llegada, hora de inicio de descarga, hora de termino de la descarga, volumen del colado, identificación del o de los camiones. Se deberá tomar una muestra de tres cilindros de cada 10m³ de concreto para el ensayo a la edad de 28 días. • Que el método de colocación y posicionamiento correcto del tubo o canalón de descarga del concreto sean los correctos; llevar registros continuos del embebimiento del extremo del tubo tremie en el concreto. No usar tubería que tenga elementos que se atoren por dentro ni por fuera. 184 • Observar las condiciones del fondo del agujero, si es que es posible, inmediatamente antes del colocar el concreto. • Observar las condiciones de las paredes del agujero o del ademe de acero que estará en contacto con el concreto fresco y anotar la posición del nivel freático detrás del ademe. El concreto deberá colocarse inmediatamente después de esta inspección. • Observar si el acero de refuerzo esta limpio y colocado en su posición correcta y si el diámetro, longitud y espaciamiento de las varillas longitudinales delos estribos es el adecuado. La unión de las varillas deben ser a base de soldadura, a tope. • Observar que la posición del acero de refuerzo sea de conformidad con los planos y especificaciones. • Observar el método de colocación del concreto y asegurarse de que no hay segregación de material cuando se utilizan procedimientos tales como caída libre desde, una tolva, tubería tremie y botes con descarga de fondo. No usar concreto bombeado a menos que sea colocado con tubería tremia. • Cuando se deba colocar concreto bajo lodo bentonitico, debe hacerse una limpieza previa de este, desarenándolo, o bien una sustitución completa del lodo. • Realizar pruebas en el concreto fresco, tales como: revenimiento, aire incluido y peso volumétrico. • Asegurarse de que el concreto se coloca en forma continua, sin interrupciones ni retrasos largos y que dentro del ademe se mantenga una altura de concreto suficiente si es que se va a extraer. Si no se utiliza el ademe, verificar el peso del concreto sea suficiente para equilibrar la presión hidrostática presente. • Calcular el volumen del concreto colocado y compararlo con el equivalente a la altura de la perforación. • La supervisión debe de estar pendiente de que el concreto no se contamine con el suelo debido del desprendimiento de las paredes. • Consolidar mediante vibración el último tramo de 1.50 a 3.0mt. De altura cuando el concreto tenga un revenimiento menor de 10.0cm (lo cual no se aconseja; el revenimiento mínimo debe de ser de 15.0cm, para asegurar un flujo continuo). • Determinar la cota del descabece y la longitud exacta de cada elemento. 185 • Verificar in situ la calidad de los pilotes y pilas terminadas, mediante algunas de las pruebas antes mencionadas. • Verificar topográficamente la localización final de los pilotes o pilas terminadas. d) Criterios de aceptación. • Localización. • Concreto. • Tubería tremie. • Acero de refuerzo. Todos estos elementos se contemplan en la siguiente tabla: TABLA 3.19 TOLERANCIA ACEPTADAS EN LA FABRICACIÓN DE PILAS Y PILOTES. TOLERANCIA CON RELACION CONCEPTO ALASESPECIFICACIONES Traslape de acero de refuerzo Menor al 50% en una sección Separación del acero de refuerzo tanto en el Mayor de 20.0cm sentido longitudinal como en el transversal Acero de refuerzo en extremo Sin dobleces y recubrimiento Mayor de 7.0cm; con ademe metálico recuperable Recubrimiento del acero de refuerzo mayor de 14.0cm. Mayor de 10.0 veces el tamaño máximo de Diámetro interior del tubo tremie agregados del concreto y menor de 12.0¨ Unión entre tramos de tubo tremie Impermeable cuando se introduzca en agua Revenimiento del concreto Mayor de 18.0cm Tamaño máximo de agregado del concreto 3/4” 15.0% del diámetro de la sección delos pilotes o Excentricidad radial con relación al trazo de los pilotes o pilas medido en la plataforma de trabajo pilas, en suelos con presencia de boleo se acepta el 20.0% Desviación horizontal con relación al eje de 2.0% de la longitud total de la pila o pilotes, en inclinación proyectado suelos muy heterogéneos se acepta el 4.0%. 186 • Verticalidad: La tolerancia permisible esta comprendida entre 1.0 y 2.0% de la longitud final de los pilotes o pilas, pero sin exceder el 12.5% del diámetro de la pila o pilotes o 38.0cm en el fondo, lo que sea menor. • Campana: El área del fondo de campana no será menor del 98.0% de la especificada. En ningún caso la inclinación del talud de las paredes de la campana será menor de 55.0 grados con la horizontal y el arranque vertical de la campana debe tener cuando menos 15.0cm de altura. El talud vertical de la campana debe ser preferentemente una línea recta o, en su defecto, ser cóncavo hacia abajo. En ningún caso ser cóncavo hacia arriba en mas de 15.0cm medidos en cualquier punto a lo largo de una regla colocada entre sus extremos. • Limpieza: Se deberá remover todo el material suelto y de azolve del fuste y de la campana antes de colar el concreto. En ningún caso el volumen de tales materiales excederá el equivalente al que fuera necesario para cubrir un 5.0% del área en un espesor de 5.0cm. • Ademe: El ademe debe manejarse y pretejerse de tal modo que no se ovale mas de2.0% del diámetro nominal. e) Informes diarios: La supervisión entregara un informe diario firmado al director de la obra, al proyectista estructural y al ingeniero geotécnico, en formas preparadas ex profeso. Estos informes deben contener lo siguiente: • Localización precisa y dimensiones de las perforaciones realizadas. • Elevación precisa del brocal del fondo. • Registro de mediciones de la verticalidad. 187 • Método empleado para la perforación. • Descripción de las condiciones en que se encontró el nivel freático. • Descripción de los materiales encontrados durante la perforación. • Descripción de las obstrucciones encontradas y removidas. • Descripción del ademe temporal o recuperable y del permanente colocado, incluyendo su finalidad. Longitud y espesor de la pared, así como el empotramiento y sello obtenido, si estaba proyectado. • Descripción de cualquier movimiento del suelo o del agua, estabilidad de campana y de las paredes, perdida del suelo, método de control y necesidades de bombeo. • Datos obtenidos de la medición directa de la perforación y de la campana. • Descripción de los métodos de limpieza alcanzado inicialmente. • Elevación a la cual se encontró el material de apoyo. Descripción del material de apoyo, sondeos realizados, método de muestreo, velocidad de avance en roca, especimenes recuperados, pruebas realizadas y conclusiones alcanzadas en relación con el material de apoyo. • Descripción del grado de limpieza justamente antes de colar el concreto. • Registro de la profundidad del espejo de agua dentro de la perforación y gasto de filtración antes de colar el concreto. • Registro de la supervisión del acero de refuerzo, en cuanto al armado en si, posición y calidad. • Método de la colocación del concreto y de la extracción del ademe, si lo hubiere. Registro de la carga de altura del concreto durante la extracción del ademe. Registro de la elevación del concreto al iniciar la consolidación por vibración, si fuere el caso. • Registro de las dificultades encontradas. Debe contener posibles huecos, posible estrangulamiento y posible colapso del ademe. • Condición del concreto entregado en obra, incluyendo el revenimiento, peso volumétrico, aire incluido, fabricación y ensayos de cilindros a compresión y otras pruebas. 188 • Registro de cualquier desviación de las especificaciones y decisiones tomadas al respecto. f) Causas más comunes de pilas y pilotes defectuosos. • Formación de huecos en el fuste por la extracción inadecuada del ademe. • Desconchamiento del suelo, dando lugar a contaminación del concreto. • Localización incorrecta, falta de verticalidad o refuerzo inadecuado. • Colocación inadecuada del concreto, dando lugar a segregación. • Estrangulamiento del fuste. • Colapso del ademe. • Formación de justas frías. • Migración del agua y segregación, que originan un concreto débil. • Concreto de baja calidad entregado en obra. • Contaminación del concreto con lodo de perforación. • Estrato de apoyo inadecuado. 3.3.4 MEDIDAS DE SEGURIDAD La construcción de cimentaciones profundas, como sucede en otras especialidades, requiere de medidas de seguridad particulares durante su desarrollo. Las ventajas que se obtienen al trabajar dentro de un ambiente en el que se cuidan y vigilan los aspectos de seguridad de las personas que intervienen directamente en los trabajos, así como la de las personas que pueden estar cerca o dentro del área de ejecución; asimismo, se logra disminuir considerablemente el riesgo al que se someten los equipos de construcción. A continuación se describen algunos aspectos a tomar en cuenta: 189 1- Equipo de protección personal. Entre estos tenemos: a) Protección para la cara y ojos: es necesaria cuando existe un riesgo inherente para los ojos debido a partículas volantes, químicos peligrosos y radiaciones. b) Protección para los pies: es necesaria cuando el trabajador está expuesto a sufrir lesión en los pies debido a temperatura, sustancias corrosivas, sustancias peligrosas, caída de objetos que podrían generar alguna lesión al pie, o cuando deba trabajar bajo condiciones de humedad. c) Protección para las manos: es necesaria cuando el trabajador está expuesto a cortaduras, quemaduras, o daños producidos por agentes físicos o químicos. d) Protección para el cuerpo: la ropa apropiada para el trabajo deberá ser usada el personal, y no se deberá utilizar ropa que se sature con líquidos inflamables o con agentes corrosivos y oxidantes. Se deberán proporcionar también cascos de protección. e) Protección auditiva: los niveles de ruido arriba de 90 dba son frecuentes durante operaciones de construcción. Esta exposición no puede ser reducida a niveles inferiores, por lo que los trabajadores deberán utilizar la protección auditiva. f) Protección respiratoria: será necesaria la utilización de mascarillas cuando el personal esté expuesto a excesos de polvo en las zonas de trabajo. 2- Primeros auxilios. a) Un botiquín de primeros auxilios deberá ser provisto en el lugar de trabajo. b) Se deberá tener un servicio de asistencia médica para los casos de emergencia. c) Algún personal podrá ser entrenado en caso de requerirse los primeros auxilios, y deberán poseer certificados de haber recibido el curso por la cruz roja. 3- Salubridad. a) El agua que se suministre en cada lugar de trabajo, deberá ser potable. b) Deberá existir facilidad de servicios sanitarios que serán colocados en cada sitio de trabajo. 190 c) De acuerdo al Ministerio del Medio Ambiente, se deberá proporcionar 1 servicio sanitario por cada 20 trabajadores. d) Los servicios sanitarios deberán permanecer limpios y con papel sanitario. e) Adecuadas facilidades de lavado, deberán ser provistos para los trabajadores encargados de trabajos que involucren operaciones con pinturas o recubrimientos. f) Al no existir sanitarios cerca de la obra, se deberán proporcionar sanitarios móviles. 4- Extintores de fuego. Los extintores de fuego tipo ABS, deberán permanecer cargados y revisados mensualmente y se les dará un servicio anualmente. Se deberán colocar en un perímetro cercano de las áreas de trabajo y en la maquinaria a utilizar. 5- Soldaduras. Los riesgos para los trabajadores que realizan los trabajos con soldaduras provienen de la exposición a vapores inflamables, gases tóxicos por encontrarse en lugares estrechos o confinados. Por lo que antes de comenzar cualquier operación de soldadura se deberá tomar en cuenta las siguientes normas de seguridad: a) Ningún tipo de soldadura estará permitido realizar en ambientes explosivos. b) Se deberá remover o guardar todo material de combustible de las áreas de trabajo. c) Proveer el extintor mas conveniente, contenedores de agua y manqueras para todas los lugares de trabajo. d) Algunos accesorios que deberán proveerse para realizar esta práctica son: guantes no inflamables, casco adecuado y protección para los ojos con pantallas oscuras debido a los destellos que produce la soldadura con rayos ultravioleta. 6- Seguridad con la maquinaria de construcción. Una correcta elección del procedimiento constructivo y del equipo por utilizar, disminuye la posibilidad de errores humanos durante las maniobras, mejorando la calidad de la cimentación que se construye, y reduciendo los costos en la mayoría de los casos. A 191 continuación se comentan algunas recomendaciones para las obras mas comunes de cimentaciones profundas: a) Accesos y plataformas de trabajo: Los equipos utilizados en las cimentaciones profundas requieren de accesos firmes y seguros, ya que se trata de maquinaria pesada que transita sobre orugas o neumáticos. No se debe trabajar sobre plataformas inestables, procurando apoyar los equipos lejos de las orillas de los hombros de los taludes. b) Obstáculos terrestres y/o aéreos: La altura convencional de los equipos diseñados para la construcción de cimentaciones profundas es superior a los 20 m; antes de iniciar cualquier trabajo es necesario inspeccionar el lugar donde se desarrollarán, observando con especial atención los obstáculos terrestres y/o aéreos, que en la mayoría de los casos corresponden a instalaciones eléctricas o de algún otro tipo. En el caso de que los obstáculos mencionados existan, se debe proceder a solicitar la interrupción de los servicios. c) Cables: Durante las maniobras de fabricación de pilotes, perforación e hincado se debe poner atención a los cables de acero usados en las maniobras, incluyendo su colocación, utilización, mantenimiento y revisión de accesorios. d) Grúas: El sistema de frenos de los tambores de las grúas debe estar en óptimas condiciones, ya que un descuido en su mantenimiento puede provocar perder el control de la maniobra de las cargas. Es recomendable conocer las capacidades de carga y longitudes e inclinaciones de las plumas de las grúas, para evitar que el equipo falle con alguna carga. 192 e) Maniobra: Durante las maniobras, ninguna persona debe permanecer debajo de la carga. Para el manejo y dirección de la posición de los pilotes hincados, se recomienda utilizar cables de manila o polipropileno que tenga la longitud suficiente que permita cumplir con lo anterior. f) Movimiento de pilotes prefabricados: Se debe garantizar que la resistencia del concreto a adquirido la capacidad necesaria para poder levantar los pilotes de las camas de fabricación. Los puntos de levante deben estar definidos desde el habilitado del acero para garantizar que los esfuerzos serán inferiores a los resistentes y estén repartidos en las anclas adecuadamente, durante la maniobra de despegue de pilotes. El desmoldante utilizado debe evitar que un pilote quede adherido al molde para que los esfuerzos no varíen de los considerados. No es recomendable levantar un pilote de un extremo para despegarlo de la cama. g) Cargas: No es conveniente jalar cargas con la grúa, para evitar balanceos que puedan golpear la caseta donde se encuentra el operador, o bien el desplazamiento de la carga en otra dirección. Durante las maniobras, se debe mantener la carga lo mas cercano posible al suelo, evitando que el personal se encuentre sobre la misma. h) Equipo: El personal no debe bajar ni subir de un equipo que esté en movimiento. Se deberá mantener limpio el parabrisas de la grúa para permitir siempre buena visibilidad. Antes de abrir alguna conexión o llave de algún sistema hidráulico para su revisión, se recomienda verificar que el sistema haya liberado la presión. Cuando el equipo esté funcionando, no es conveniente cargar combustible. La revisión de depósitos de combustible y de baterías debe realizarse utilizando lámparas sordas. 193 7-Colocación del material en la obra a) Acero de refuerzo. Debido a que el acero de refuerzo ya habilitado debe ser maniobrado en condiciones diferentes a las del elemento diseñado por construir, es necesario conocer el comportamiento del armado al ser maniobrado. Al introducir los armados dentro de los moldes de los pilotes o en la perforación de las pilas, es necesario revisar que los estribos estén debidamente amarrados para evitar que se desprendan durante la maniobra. Es recomendable también revisar que lo largo de los castillos no quede desperdicios de acero, así como herramientas, antes de realizar las maniobras. Es necesario considerar la longitud de los armados para determinar la posible presencia de deformaciones que provoquen rotura de amarres, o bien se determina si se requieren utilizar peine de levante para pilotes o introducir el armado para pilas. En ocasiones se resuelve este problema colocando rigidizadores en los armados. b) Concreto. En algunas cimentaciones se realizan los colados con bomba y pluma, debido a las dimensiones del terreno en el que se trabaja, el nivel en el cual se encuentra el equipo de cimentación, o la falta de acceso a la zona. En estas condiciones se debe revisar el correcto funcionamiento de las llaves en las uniones de la tubería, para evitar que el concreto se derrame cayendo juntas con las mismas. Cuando se utilicen depósitos portátiles para colocar el concreto, debe garantizarse que el soporte sea el adecuado para la carga y que el mecanismo de la compuerta trabaje correctamente, para evitar que el concreto caiga antes de llegar a donde se va a depositar, esta maniobra debe realizarse con un manejo suave. En el colado de las pilas o pilotes es necesario que el personal este alrededor de la perforación para manejar correctamente la tubería tremie, por lo que se debe contar con una estructura en la cual el trabajador pueda pararse y que evite su caída dentro de la perforación. Esta estructura también garantiza la seguridad durante el acoplamiento de los tramos de tubería. 194 En caso de utilizar calderas de vapor para el curado del concreto en la fabricación de los pilotes, se debe revisar periódicamente los depósitos de combustible, tuberías, válvulas, conexiones y serpentín para evitar explosiones. Este equipo debe de ser utilizado por personal capacitado específicamente para esta actividad. No es recomendable tratar de abrir una conexión cuando el equipo este en operación, ya que este trabaja con presiones y temperaturas altas, pudiendo provocar del vapor quemaduras y la conexión puede desprenderse con gran fuerza. 8-Perforación a) Brocales. Para evitar caídos de material dentro de las perforaciones, es importante utilizar brocales adecuados de acero, concreto u otros, para evitar exponer a algún peligro a los trabajadores y al equipo que se encuentra adyacente a la perforación. Se recomienda que el brocal utilizados para estos casos, quede empotrado en la perforación por lo menos dos veces su diámetro. En cuanto a la parte superior, es necesario que sobre salga de 30 a 40cm como mínimo, del nivel de trabajo. b) Perforaciones adyacentes. Es importante llevar acabo una planeación en la ejecución de las perforaciones, para evitar hundimientos accidentales, los cuales son provocados por fallas en las paredes de las perforaciones o comunicación de ellas al existir vibraciones en el suelo. c) Retiro de material. El material producto de las perforaciones es muy inestable para el apoyo del equipo, debido a su estado suelto. Cuando se perfora por debajo del nivel freático, el problema aun es mayor, ya que la superficie de trabajo se cubre de lodo. Cuando se utilizan lodos bentoniticos para la estabilización de las paredes de las perforaciones, la plataforma de trabajo puede llegar a ser inestable y resbaladiza. Cuando no se logra retirar eficientemente los lodos de la superficie, se debe tener cuidado en señalizar y proteger los puntos donde se encuentren perforaciones abiertas. 195 d) Descenso a perforación. En algunos procedimientos constructivos, es necesario la construcción de campanas (pilas), o simplemente la inspección ocular del desplante de las perforaciones, para lo cual el personal deberá descender a su interior. Es recomendable poner especial atención a la presencia de gases tóxicos o ausencia de aire respirable. Estas circunstancias se advierten cuando se perforan en formaciones calcáreas, turba, materia orgánica en productos de descomposición, rellenos sanitarios o basureros. Las características del subsuelo o la vibración del equipo dentro y fuera de la perforación, pueden hacer fallar la estabilidad de las paredes de la perforación, por lo que es conveniente utilizar ademes metálicos en toda la longitud, evitándose así que la perforación se cierre con el personal en su interior. Los trabajadores dentro de una perforación siempre deben de utilizar un armes de seguridad, el cual se sujetara a un cable de rescate durante todo el tiempo que permanezca laborando en su interior. e) Perforaciones abiertas. Es común que algunas perforaciones queden abiertas temporalmente en cambios de turno, por lo que es recomendable utilizar tapas especiales que eviten la caída accidental de alguna persona. En caso de que los trabajos continúen inmediatamente al finalizar la perforación, es suficiente con señalizar el área. 196 CONCLUSIONES - Para poder determinar el tipo de cimentación a utilizar, es necesario conocer las propiedades y características de cada uno de los suelos encontrados. Así como su granulometría, plasticidad, ángulo de fricción interna del suelo, cohesión, peso específico y otros. - Se establecieron de una manera específica los tipos de cimentaciones más comunes, como superficiales, profundas y semiprofundas. Para las cuales se hace necesario conocer la capacidad de carga del suelo donde se necesita apoyar la cimentación, que se puede determinar mediante los métodos propuestos por Terzaghi y Meyerhof. - Se hizo una recopilación de los estudios de laboratorio realizados en la ciudad de San Miguel, representados mediante tablas estratigráficas y una zonificación de la ciudad. En ellas se determinan el tipo de material predominante en cada una de las zonas y la resistencia a la penetración “N”, establecidos mediante ensayos de penetración estándar. - En la zonificación establecida por nuestra investigación, se realizaron estudios de laboratorio de penetración estándar en cada zona para verificar las características y propiedades del material existente, así como su capacidad de carga, de acuerdo a las tablas estratigráficas y al Plan de desarrollo urbano de la ciudad. - Se encontró en la zona 1, el material más desfavorable para la construcción de la edificación propuesta, por lo que se hace necesario la cimentación profunda mediante pilotes colados en el lugar, siendo éste el método más efectivo y económico ejecutado actualmente en nuestro país. 197 - Para la realización del diseño tipo de pilote, se consideró el método de pilotes por punta, establecido por los resultados de laboratorio de las pruebas ejecutadas. Al mismo tiempo, se verificaron los datos proporcionados por el laboratorio, como: capacidad de carga y diámetro del pilote. - Se establecieron los distintos procesos constructivos de cimentación profunda mediante los diferentes métodos utilizados en nuestro país y en el extranjero. 198 RECOMENDACIONES - No se deberá considerar para la ejecución de los diferentes tipos de cimentaciones, los valores de las tablas estratigráficas recopiladas con la información de los estudios de laboratorios, realizados en los suelos de la ciudad de San Miguel, ya que son representaciones generales y promedios que sirvieron de base en esta investigación. - Es conveniente en el área a construir, realizar una exploración geotécnica exhaustiva de la zona, con los diferentes ensayos de laboratorio. Dependiendo de la magnitud de la obra, es recomendable realizar ensayos triaxiales y de consolidación. - Como ingeniero realizador o constructor de la obra es necesario conocer las propiedades y características de suelos, para poder determinar y verificar la capacidad de carga del suelo que soportará la estructura, ya que generalmente el subsuelo de la ciudad es predominante el material arcilloso. - Para la construcción de todo tipo de edificación, utilizando cimentaciones profundas, será necesario realizar un buen sistema de drenaje, con el objeto de evitar posibles infiltraciones en el subsuelo y reducir la capacidad de carga del pilote. - Se recomienda utilizar para el tipo de pilote a construir, el método de Pilotes de concreto colados in situ, ya que son los más utilizados en nuestro país, ya sean por condiciones económicas de la mano de obra y factibilidad de maquinaria para su construcción. - El constructor o ingeniero encargado de la obra de pilotaje, deberá estar presente en las actividades como: perforación, colocación del acero, colado del concreto y otras. Y se deberán realizar las pruebas necesarias para la verificación del concreto utilizado en la construcción de los pilotes. 199 GLOSARIO - Capacidad de carga del suelo: es la capacidad que tiene un suelo para soportar una carga sin que se desconozca falla dentro de su masa. - Capacidad de carga admisible: este es el valor máximo admisible para el esfuerzo de compresión vertical del suelo en la superficie de contacto de los elementos de apoyo. - Pilotes: son miembros estructurales hechos de acero, concreto y madera usados para construir cimentaciones profundas y semiprofundas. - Cabeza: parte superior del pilote, es la que recibe los golpes sucesivos del maso para su hincado. - Fuste: es el cuerpo del pilote; es una columna estructural que está fija a la punta y generalmente empotrado en la cabeza. - Punta: es la parte final del contacto permanente con el suelo y se protege con un casco metálico (pilotes hincados). - Pilotes colados “in situ”: son pilotes en los que se abre un agujero con una perforadora (o de forma manual), ya sea la dimensión que se necesite para luego proceder a la colocación de el acero estructural y luego se llena este con concreto. La forma de soportar las cargas puede ser por fricción o de punta. - Pilotes de acero: son capaces de absorber grandes esfuerzos de flexión y de cortante con secciones de áreas pequeñas. - Pila de concreto: es un miembro estructural subterráneo que tiene la función igual al de una zapata, es decir, transmitir las cargas a un estrato capaz de soportarla, sin peligro de que falle ni que sufra un asentamiento excesivo. - Arenas: son pequeñas partículas de formas redondeadas o angulosas que proceden de rocas disgregadas. - Limos: son suelos compuestos de partículas muy finas, con poca o ninguna plasticidad, cuyos diámetros varían de 0.05 a 0.005 mm aproximadamente. - Arcillas: están compuestas de partículas finas, generalmente en forma de laminillas o escamas, cuyos diámetros llegan a ser menores de 0.005 mm. 200 - Suelos Cohesivos: es la propiedad de atracción intermolecular que hace que sus partículas se mantengan muy unidas entre si; como las arcillas. - Suelos no Cohesivos: están formados por partículas duras de diversos diámetros en forma suelta o muy sueltas como las arenas, y no poseen cohesión. - Permeabilidad: es la facilidad o dificultad que ofrece un suelo al paso del agua; se mide a través del coeficiente de permeabilidad, como una constante que tiene dimensiones de velocidad, y expresa la capacidad hidráulica de un suelo respecto al agua en su travesía por la masa del suelo. - Resistencia al corte: analizar la fuerza actuante sobre el peso propio del suelo, cargas aplicadas y determinar la resistencia del suelo con el objeto de establecer los valores de la cohesión y el ángulo de fricción interna del suelo. - Textura: es el grado de finesa y uniformidad del suelo descrito según la sensación que produce el tacto y por descripción visual. - Estructura: es la forma que las partículas de suelo se disponen (entre sí) dentro de la masa del suelo, conformando su esqueleto. - Consistencia: es el grado de tracción entre las partículas del suelo y la resistencia ofrecida a las fuerzas que tienden a deformar o a romper en sí el suelo, se describe como dura, frágil, friable, pegajosa, plástica y blanda. - Densidad relativa: es tomada en la información que al comparar la porosidad de un suelo dado y las porosidades de ese mismo suelo en su estado más denso y más suelto posible. - Cimentación: es la parte de la estructura que permite la transmisión de las cargas que actúan, hacia el suelo o hacia la roca subyacente. - Resistencia a la fricción: ésta es la resistencia al deslizamiento a lo largo del fuste de un pilote en contacto con el suelo. 201 BIBLIOGRAFÍA • Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das, 2001, Editorial Thomson Learning. • Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001, Editorial Thomson Learning. • Ingeniería de Cimentaciones, Peck. Hanson. Thornburn, 1993, Editorial Limusa S.A. de C.V. • Cimentaciones, A.L. Little, 1965, Editorial Continental S.A. • Manual de Cimentaciones Profundas, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos A.C., 2001, Editorial Regina de Los Angeles S.A. • Cimentaciones Profundas, Ing. Jaime A. Cerros, 1986, Curso ASIA. • Control de Calidad y Seguridad en la Industria de la Construcción, ASIA, 2004. • Curso de Micropilotes, Manuel Romana Ruiz, 2003, Escuela Técnica Superior de Caminos de Valencia. • ACI Manual of Concrete Practice”, 2002. • American Society for Testing and Materials (ASTM), 2000. • SIECA, 2002. • FP, 1996. • Estudio sobre Pilotes, Perla. Montano., 1985, Albert Einstein. • Estudio de Pilotes en Cimentaciones, Alvarenga. Ballecios. Echeverría, 1985, UCA. • Cimientos Profundos Colados en el Sitio, Herrera. Escalante. Pineda. Rivas, 1996, UCA. • Pilotes Hincados de Concreto Armados o Pretensazos en el Gran San Salvador, Hernández. Miranda. Recinos, 1999, Albert Einstein. • Manual de Fundaciones de las Estructuras según Tipos de Suelos y Condiciones de Terreno, Aguirre. Gutiérrez. Ramírez. Regalado, 1996, UES. • Teoría de las Cimentaciones, José A. Cedeno, 2003. • Diseño de Estructuras de Concreto, Arthur H. Nilson, 2003. 202 Sitios Web consultados: • www.tenax.net • www.construaprende.com • www.geostru.com • www.terratest.es • www.todoarquitectura.com • www.fundacion-ica.org • www.arqui.com • www.cimentacionesespecialesvalencia.com • www.coag.es • www.miliarium.com • www.piresa.es • www.swissboring.com • www.pileco.com • www.geovenor.com 203
