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• Andres Tarazona

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TRABAJO ACERCA DE PILOTES CIMENTACIONES

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INTEGRANTES:  ADRIANA VIDES BAUTISTA DIEGO FERNANDO SANCHEZ BECERRA

TRABAJO PRESENTADO A LA PROFESORA ING. LUZ MARINA TORRADO

NIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA SECCIONAL BUCARAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CIMENTACIONES 31/10/16 INTRODUCCIÓN

Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto y/o madera y son usados para construir cimentaciones, cuando son profundas y cuestan más que las cimentaciones superficiales. A pesar del costo, el uso de pilotes es a menudo necesario para garantizar la seguridad estructural. La siguiente lista identifica algunas de las condiciones que requieren cimentaciones de pilotes. 1. Cuando el estrato o estratos superiores del suelo son altamente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura se usan pilotes para transmitir la carga al lecho rocoso o a una capa dura, como muestra la figura 1.a. Cuando no se encuentra un lecho rocoso a una profundidad razonable debajo de la superficie del terreno los pilotes se usan para transmitir la carga estructural gradualmente al suelo. La resistencia a la carga estructural aplicada se deriva principalmente de la resistencia a fricción desarrollada en la interfaz suelo-pilote (figura1.b). 2. Cuando están sometidas a fuerzas horizontales (véase la figura 1.c), las cimentaciones con pilotes resisten por flexión mientras soportan aún la carga vertical transmitida por la superestructura. Este tipo de situación se encuentra generalmente en el diseño y construcción de estructuras de retención de tierra y en la cimentación de estructuras altas que están sometidas a fuerzas grandes de viento y/o sísmicas. 3. En muchos casos, suelos expansivos y colapsables están presentes en el sitio de una estructura propuesta y se extienden a gran profundidad por debajo de la superficie del terreno. Los suelos expansivos se hinchan y se contraen conforme el contenido de agua crece y decrece y su presión de expansión es considerable. Si se usan cimentaciones superficiales en tales circunstancias, la estructura sufrirá daños considerables. Sin embargo, las cimentaciones con pilotes se consideran como una alternativa cuando éstos se extienden más allá de la zona activa de expansión y contracción (figura 1.d). Los suelos como los constituidos por loess son de naturaleza colapsable. Cuando el contenido de agua de esos suelos aumenta, su estructura se rompe.

figura1.

OBJETIVO: Los pilotes trasmiten al terreno las cargas que reciben de la estructura mediante una combinación de rozamiento lateral o resistencia por fuste y resistencia a la penetración o resistencia por punta. Ambas dependen de las características del pilote y del terreno, y la combinación idónea es el objeto del proyecto. Cabe señalar que, como en todo trabajo relacionado con la ingeniería civil, existe cierto grado de incertidumbre en la capacidad final de un pilote. Es por esto que buena parte de la investigación que se viene desarrollando en este campo tiene que ver con métodos que permitan hacer un control de calidad a bajo costo del pilotaje antes de aplicar las cargas. El método más obvio aunque el más costoso es hacer una prueba de carga. Como métodos alternativos podemos mencionar: pruebas de resonancia, prensa hidráulica de Osterberg, pruebas de análisis de ondas, pruebas sísmicas. En muchos casos las teorías que permiten estimar la resistencia de fuste y la resistencia de punta son de tipo empírico. Es decir, son el resultado de un análisis estadístico del comportamiento de ciertos pilotes en determinadas condiciones de terreno. Por lo tanto, es sumamente importante conocer el origen y las condiciones bajo las cuales determinadas fórmulas de cálculo son válidas

MARCO TEORICO CONDICIONES EN LAS QUE SE REQUIEREN CIMENTACIONES CON PILOTES: 1. Cuando uno o más estratos de suelo son ligeramente compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la superestructura, los pilotes se utilizan para transmitir la carga al lecho de roca subyacente o a un estrato de suelo más fuerte. Cuando no se encuentra un lecho de roca a una profundidad razonable debajo de la superficie del terreno, los pilotes se emplean para transmitir la carga estructural de manera gradual al suelo.

2. Cuando se someten a fuerzas horizontales, las cimentaciones con pilotes resisten por flexión, mientras soportan la carga vertical transmitida por la superestructura. Este tipo de situación por lo general se encuentra en el diseño y construcción de estructuras de retención de tierra y de cimentaciones de estructuras altas que están expuestas a vientos fuertes o a fuerzas sísmicas.

3. En muchos casos, los suelos expansivos y colapsables están presentes en el emplazamiento de una estructura propuesta. Estos suelos se pueden extender hasta una gran profundidad debajo de la superficie del terreno. Los suelos expansivos se hinchan y contraen conforme su contenido de humedad aumenta o disminuye, y la presión de expansión puede ser considerable. Si en esas circunstancias se utilizan cimentaciones superficiales, la estructura puede sufrir un daño notable. Sin embargo, las cimentaciones con pilotes se pueden considerar como

una alternativa cuando los pilotes se extienden más allá de la zona activa, que es donde ocurre la expansión y contracción.

4. Las cimentaciones de algunas estructuras, como torres de transmisión, plataformas fuera de la costa y losas de sótanos debajo del nivel freático, están sometidas a fuerzas de levantamiento. Los pilotes en ocasiones se utilizan para estas cimentaciones con el fin de resistir la fuerza de levantamiento.

5. Los estribos y las pilas de puentes suelen construirse sobre cimentaciones de pilotes para evitar la pérdida de capacidad de carga que una cimentación superficial podría sufrir debido a la erosión del suelo en la superficie del terreno.

TIPOS DE PILOTES Y SUS CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES En el trabajo de construcción se utilizan diferentes tipos de pilotes, dependiendo del tipo de carga que soportarán, de las condiciones del subsuelo y de la ubicación del nivel freático. Los pilotes se pueden dividir en las categorías siguientes: a) de acero, b) de concreto, c) de madera y d) compuestos. A. Pilotes de acero Los pilotes de acero por lo general son a base de tubos o de perfiles H de acero laminado. Los pilotes de tubo se hincan en el terreno con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas de patín ancho y de perfil I también se pueden utilizar como pilotes. Sin embargo, los pilotes de perfil H suelen preferirse debido a que sus espesores del alma y del patín son iguales. (En las vigas de patín ancho y de perfil I, los espesores del alma son menores que los del patín).

La capacidad estructural permisible para pilotes de acero es:

Q perm= A s f s Donde:

A s =Área de la sección transversal del acero.

f s = esfuerzo permisible del acero ( ≈

0.33-0.5 f

y

)

Una vez que se fija la carga de diseño para un pilote, se debe determinar, con base en consideraciones geométricas, si

Q(diseño ) está dentro del intervalo

permisible. Los siguientes son algunos datos generales de los pilotes de acero: - Longitud usual: 15 a 60 m - Carga usual: 300 a 1200 kN Ventajas: a. b. c. d.

Fácil manejo con respecto al corte y a la extensión a la longitud deseada. Pueden soportar esfuerzos de hincado altos. Pueden penetrar estratos duros como grava densa y roca suave. Alta capacidad de soporte de carga.

Desventajas a. b. c. d.

Relativamente costosos. Alto nivel de ruido durante su hincado. Expuestos a la corrosión. Los pilotes H se pueden dañar o flexionar de la vertical durante su hincado a través de estratos duros o al pasar por obstrucciones mayores.

Cuando es necesario, los pilotes de acero se empalman por medio de soldadura, remaches o pernos

B. PILOTES DE CONCRETO Los pilotes de concreto se pueden dividir en dos categorías básicas: a) precolados y b) colados in situ. Los pilotes precolados se pueden preparar empleando un refuerzo ordinario y pueden tener una sección transversal cuadrada u octagonal. El refuerzo se proporciona con el fin de habilitar al pilote para resistir el momento flexionante desarrollado durante su levantamiento y transporte, la carga vertical y el momento flexionante causado por una carga lateral. Los pilotes se cuelan a la longitud deseada y se curan antes de transportarlos a los emplazamientos de trabajo. Los siguientes son algunos datos generales de los pilotes de concreto: -

Longitud usual: 10 a 15 m Carga usual: 300 a 3 000 kN

Ventajas a. Se pueden someter a un hincado pesado. b. Resistentes a la corrosión. c. Es fácil combinarlos con una superestructura de concreto. Desventajas:

a. Difícil de lograr su corte deseado. b. Difíciles de transportar Los pilotes precolados también se pueden presforzar mediante cables de presfuerzo de acero de alta resistencia. La resistencia última de estos cables es de casi 1800 MN/m2 . Durante el colado de los pilotes, primero los cables se pretensan entre 900 a 1300 MNym2 y luego se vierte el concreto alrededor de ellos. Después del curado, los cables se recortan produciéndose así una fuerza de compresión en la sección del pilote. Algunos datos generales de los pilotes de concreto presforzado son: -

Longitud usual: 10 a 45 m Longitud máxima: 60 m Carga máxima: 7 500 a 8 500 kN

Los pilotes ademados se hacen hincando un tubo (ademe) de acero en el terreno con ayuda de un mandril colocado dentro del tubo. Cuando el pilote llega a la profundidad adecuada se retira el mandril y el tubo se llena con

concreto. El pedestal es un bulbo de concreto expandido que se forma dejando caer un martillo sobre el concreto fresco. Algunos datos generales de pilotes ademados colados en el lugar son los siguientes: -

Longitud usual: 5 a 15 m Longitud máxima: 30 a 40 m Carga usual: 200 a 500 kN Carga máxima aproximada: 800 kN

Ventajas: a. Relativamente baratos. b. Permiten su inspección antes de verter el concreto. c. Fácil de extender. Desventajas: a. Difíciles de empalmar después de fraguar. b. Los tubos delgados se pueden dañar durante el hincado. Carga permisible:

Q perm= A s f s + A c f c

Donde

A s =área de la sección transversal del acero A c =área de la sección transversal del concreto f s = esfuerzo permisible del acero f c = esfuerzo permisible del concreto

Los pilotes sin ademe se hacen primero hincando el ademe hasta la profundidad deseada y luego llenándolo con concreto fresco. Luego el ademe se saca gradualmente. Los siguientes son algunos datos generales acerca de los pilotes de concreto colados en el lugar sin ademe: -

Longitud usual: 5 a 15 m Longitud máxima: 30 a 40 m Carga usual: 300 a 500 kN Carga máxima aproximada: 700 kN

Ventajas: a. Económicos inicialmente. b. Se pueden terminar en cualquier elevación. Desventajas:

a. Se pueden crear vacíos si el concreto se vierte rápidamente. b. Difíciles de empalmar después de fraguar. c. En suelos suaves, los lados del agujero se pueden derrumbar, disminuyendo la sección el concreto. Carga permisible:

Q perm= Ac f c Donde

A c = área de la sección del concreto f c = esfuerzo permisible del concreto. C. PILOTES DE MADERA Los pilotes de madera son troncos de árboles a los que se les recortaron cuidadosamente las ramas y la corteza. La longitud máxima de la mayoría de los pilotes de madera es de 10 a 20 m. Para calificar para su uso como pilote, la madera debe ser recta, resistente y sin defectos. El Manual of Practice, Núm. 17 (1959) de la American Society of Civil Engineers, dividió los pilotes de madera en tres clases: 1. Pilotes clase A que soportan cargas pesadas. El diámetro mínimo del fuste debe ser de 356 mm. 2. Pilotes clase B que se utilizan para soportar cargas medias. El diámetro mínimo del fuste debe ser de 305 a 330 mm. 3. Pilotes clase C que se utilizan en trabajos provisionales de construcción. Se pueden emplear permanentemente para estructuras cuando todo el pilote se encuentra debajo del nivel freático. El diámetro mínimo del fuste deber ser de 305 mm. En cualquier caso, la punta de un pilote no debe tener un diámetro menor que 150 mm. El empalme de los pilotes de madera se debe evitar, en particular cuando se espera que soporten una carga de tensión o una carga lateral. Sin embargo, si es necesario su empalme, se puede hacer empleando manguitos de tubo o soleras metálicas y pernos. La longitud del manguito debe ser al menos de cinco veces el diámetro del pilote.

La capacidad de soporte de carga permisible de los pilotes de madera es:

Q perm= A p f w Donde

A p = área promedio de la sección transversal del pilote f w = esfuerzo permisible de la madera. Los esfuerzos permisibles siguientes son para pilotes de madera redondos tratados a presión hechos con abeto Pacific Coast Douglas y pino Southern utilizados en estructuras hidráulicas (ASCE, 1993): Abeto Pacific Coast Douglas -

Compresión paralela a la veta: 6.04 MNym2 Flexión: 11.7 MNym2 Cortante horizontal: 0.66 MNym2 Compresión perpendicular a la veta: 1.31 MNym2

Pino Southern -

Compresión paralela a la veta: 5.7 MNym2 Flexión: 11.4 MNym2 Cortante horizontal: 0.62 MNym2 Compresión perpendicular a la veta: 1.41 MNym2

La longitud usual de los pilotes de madera es de 5 a 15 m. La longitud máxima es de aproximadamente 30 a 40 m (100 a 130 pies). La carga usual soportada por los pilotes de madera es de 300 a 500 kN. D. PILOTES COMPUESTOS Las partes superior e inferior de los pilotes compuestos están hechas de materiales diferentes. Por ejemplo, los pilotes compuestos se pueden hacer de acero y concreto o de madera y concreto. Los pilotes de acero y concreto consisten de una parte inferior de acero y una parte superior de concreto colado en el lugar. Este tipo de pilote se utiliza cuando la longitud del pilote requerida para un soporte adecuado excede la capacidad de un pilote simple de concreto colado en el lugar. Los pilotes de madera y concreto suelen consistir de una parte inferior del pilote de madera debajo del nivel freático permanente y una parte superior de concreto. En cualquier caso, la formación de juntas apropiadas entre dos materiales disimilares es difícil, y por esa razón, los pilotes compuestos no se utilizan ampliamente. MÉTODO DE MEYERHOF PARA ESTIMAR -

Qp

ARENA

La capacidad de carga de punta,

qp

, de un pilote en arena aumenta con la

profundidad de empotramiento en el estrato de carga y alcanza un valor máximo a una relación de empotramiento de un suelo homogéneo

Lb

Lb /D= (Lb / D)cr ' . Observe que

es igual a la longitud de empotramiento real del

pilote, L. Sin embargo, cuando un pilote ha penetrado en un estrato de carga,

Lb