PILOTES
1. DEFINICIN
Los pilotes son miembros estructurales hechos de acero, concreto
o madera y se usan para construir cimentaciones con pilotes, que
son profundas y cuestan ms que las cimentaciones superficiales. A
pesar del costo el uso de pilotes es a menudo necesario para
garantizar la seguridad estructural.
Cuando comenzamos a realizar las excavaciones para la ejecucin
de una obra, nos podemos topar con diversas dificultades para
encontrar el estrato resistente o firme donde queremos cimentar. En
este proceso se nos presenta la necesidad de apoyar una carga
aislada sobre un terreno no firme, o difcilmente accesible por
mtodos habituales.
Para solucionar estos tipos de dificultades usamos los pilotes.
Se denomina pilote al elemento constructivo de cimentacin profunda
de tipo puntual utilizado en obras, que permite transmitir las
cargas de la superestructura e infraestructura a travs de estratos
flojos e inconsistentes, hasta estratos ms profundos con la
capacidad de carga suficiente para soportarlas; o bien, para
repartir estas en un suelo relativamente blando de tal manera que
atraviesen lo suficiente para que permita soportar la estructura
con seguridad.
2. CONDICIONES DEL SUELO QUE REQUIERE LA CIMENTACIN PROFUNDA
Las cimentaciones por pilotaje se utilizan cuando sucede alguna
de las siguientes condiciones:
a) Transferir cargas de la superestructura y del resto de la
infraestructura a travs de estratos dbiles o compresibles, a travs
del agua o aire, hasta estratos inferiores con la suficiente
capacidad de carga como para soportar la estructura, comportndose
el pilote como una extensin de columna o pilar. Estos estratos
inferiores pueden ser rocas, arcillas duras o suelos de baja
compresibilidad. Al pilote que reposa sobre estos estratos se le
denomina "pilote de punta", (fig a).
b) Cuando no se encuentra un lecho rocoso a una profundidad
razonable debajo de la superficie del terreno, se usan los pilotes
para transmitir gradualmente la carga estructural al suelo. La
resistencia a la carga estructural aplicada proviene principalmente
de la resistencia a la friccin desarrollada en la interfaz
suelo-pilote. Este tipo de pilote se le denomina "pilote de
friccin" y a su vez se puede subdividir, segn Terzaghi, en pilotes
de friccin en suelos de grano grueso muy permeable y pilote de
friccin en suelos de grano fino o de baja permeabilidad. En la
naturaleza es difcil encontrar estratos de suelos homogneos, por lo
que no existe un lmite real entre estas categoras. (figura b).
c) En situaciones donde el suelo alrededor de un pilote lo mueve
hacia abajo, a esto se le denomina "friccin negativa", esta friccin
tiende a hundir el pilote y si ste no puede penetrar ms, en la
punta del pilote se generar una presin concentrada. Este caso se
puede presentar cuando se hinca un pilote en un estrato blando en
cuya superficie se coloca un relleno que consolide el terreno,
entonces ste al consolidarse generar en las caras del pilote unas
fuerzas de friccin hacia abajo que se denominan friccin negativa.
(figura c)
d) Proporcionar anclaje a estructuras sujetas a subpresiones,
momentos de volteo o cualquier efecto que trate de levantar la
estructura. Cuando estn sometidas a fuerzas horizontales, las
cimentaciones con pilotes resisten por flexin mientras soportan an
la carga vertical transmitida por la estructura (figura d) o por
grupos de pilotes verticales e inclinados que actan como un sistema
estructural, combinando las resistencias axiales y laterales de
todo el grupo (figura e). Este tipo de situacin se encuentra
generalmente en el diseo y construccin de estructuras de retencin
de tierra y en la cimentacin de estructuras de gran altura que estn
sometidas a fuerzas grandes de viento y/o ssmicas.
e) Cuando existe peligro inminente de licuacin de suelos, es
decir, presencia de arenas sueltas y nivel fretico alto, presencia
de suelos colapsables, problemas de socavacin, presencia de suelos
expansivos u otros efectos. (figura f)
f) Los Para evitar los daos que puede producir una futura
excavacin a la cimentacin de una edificacin adyacente; en este caso
el pilote lleva la carga de la cimentacin debajo del nivel de
excavacin esperado (figura g)
Otros
Se desea proteger estructuras marinas como muelles, atracaderos
contra impactos de barcos u objetos flotantes. Se quieren reducir o
limitar los asentamientos del edificio. Las cargas son muy fuertes
y concentradas. En reas de suelos expansivos o colapsables, para
asegurar que los movimientos estacionales no sucedern. Proteger
estructuras marinas como muelles, atracaderos, contra impactos de
barcos u objetos flotantes. Soportar muros de contencin,
contrafuertes o cimentaciones de mquinas. Compactar el suelo.
3. CLASIFICACIN
3.1 Segn el material
3.1.1 Pilotes de acero
Los pilotes de acero son generalmente a base de tubos o de
perfiles H laminados. Los pilotes de tubo se hincan en el terreno
con sus extremos abiertos o cerrados. Las vigas de acero de patn
ancho y de seccin I tambin se usan; sin embargo se prefieren los
perfiles H porque los espesores de sus almas y patines son
iguales.
Debido a su alta resistencia y ductilidad, los pilotes de acero
pueden hincarse en suelos duros y soportar grandes cargas. Tambin
su resistencia en traccin es ms alta que cualquier otro tipo de
pilote, por ello, son esencialmente apropiados para aplicaciones
con grandes cargas de traccin.
Los pilotes de acero son sencillos de unir, por consiguiente,
constituyen una buena opcin cuando la longitud requerida es mayor
que 18m. El constructor simplemente hinca la primera seccin, luego
suelda con la siguiente seccin y contina hincando. Existen ciertos
empalmes especiales de acero que agilizan esta operacin.
Los pilotes de acero tienen la desventaja de que son costosos y
ruidosos cuando se hincan. En ciertos medios, pueden estar sujetos
a corrosin.
Algunas propiedades de los pilotes de acero: Longitud usual: 15
a 60 m Carga usual: 300 a 1200KN ( 30 a 120 ton)
Capacidad admisible (tambin conocida como permisible)
estructural para pilotes de acero
As = rea de acero de la seccin transversal del acerofs =
esfuerzo admisible de acero ( 0.33 a 0.5 fy)
3.1.2 Pilotes de concretoSe subdividen en:
Pilotes prefabricados (premoldeados)
Pilotes fabricados in situ: Pueden ser Con funda (forro o tubo
de metal) Sin funda
Los pilotes de concreto son elementos de concreto reforzado
prefabricado o vaciados in situ. Usualmente tienen una seccin
transversal cuadrada u octogonal.
PrefabricadosAlgunas propiedades generales de los pilotes de
concreto prefabricados son las siguientes: Longitud usual: 10 a 15
m Carga usual: 300 a 3000 kN ( 30 a 300 ton)
Actualmente los pilotes pretensados son una buena alternativa,
stos tiene mayor resistencia en flexin y son consecuentemente menos
susceptibles a daarse durante su manipuleo e hincado. Usualmente,
el pretensado es una mejor opcin que el postensado porque permite
el corte de los pilotes, si fuera necesario, sin afectar la fuerza
del pretensado.
Algunos aspectos generales de pilotes de concreto pretensados:
Longitud usual: 10 a 45 m Longitud mxima 60 m Carga mxima 7 500 a 8
500 kN
Fabricados in situ. Los Pilotes colocados in situ se construyen
perforando un agujero en el terreno y llenndolo con concreto.
Diferentes tipos de pilotes de concreto fabricados in situ se usan
actualmente en la construccin y la mayor parte fueron patentados
por sus fabricantes.
Estos se dividen en dos amplias categoras
a) Ademados Se hacen hincando un tubo de acero en el terreno con
ayuda de un mandril colocado dentro del ademe. Cuando el pilote
alcanza la profundidad apropiada, se retira el mandril y el tubo se
llena con concreto.Ambos pueden tener un pedestal en el fondo
Pilotes de concreto colocados in situ segn Braja M. Das
Algunos aspectos generales de pilotes colocados in situ Longitud
usual: 5 a 15 m Longitud mxima 30 a 40m Carga usual: 200 a 500 kN
Carga mxima apropiada: 800 kN
Carga admisible:
As = rea de la seccin transversal del aceroAc = rea de la seccin
transversal del concreto.fs = esfuerzo admisible de acero fc =
esfuerzo admisible de concreto
b) No ademadosSe hacen hincando primero el tubo a la profundidad
deseada y llenndolos con concreto fresco. El tubo se retira
gradualmente.
Algunos aspectos generales de pilotes colocados in situ Longitud
usual: 5 a 15 m Longitud mxima 30 a 40m Carga usual: 300 a 500 kN
Carga mxima apropiada: 700 kN
Carga admisible:
Ac = rea de la seccin transversal del concreto.fc = esfuerzo
admisible de concreto
Pilotes de concreto armado3.1.3 Pilotes de madera
Los pilotes de madera son troncos de rboles cuyas ramas y
corteza fueron cuidadosamente recortadas. La longitud mxima de la
mayora de pilotes de madera es de entre 10 y 20 m. Para calificar
como pilote, la madera debe ser recta, sana y sin defectos. El
Manual of practice, N. 17 de la American Society of Civil Engineers
lo divide en tres clases: Pilotes clase A que soportan cargas
pesadas. El dimetro mnimo del fuste debe ser de (356 mm). Pilotes
clase B que se usan para tomar cargas medias. El dimetro mnimo del
fuste debe ser de entre (305 330 mm). Pilotes clase C que se usan
en trabajos provisionales de construccin. Estos se usan
permanentemente para estructuras cuando todo el pilote est debajo
del nivel fretico. El dimetro mnimo del fuste debe ser de 305
mm.Los pilotes de madera no resisten altos esfuerzos al hincarse;
por lo tanto, su capacidad se limita a aproximadamente 25 30 ton.
Se deben usar elementos de acero para evitar daos en la punta del
pilote. La parte superior de los pilotes de madera tambin podra
daarse al ser hincados, para evitarlo se usa una banda metlica o un
capuchn o cabezal.Los pilotes de madera permanecern indefinidamente
sin dao si estn rodeados de suelo saturado. Sin embargo, en un
ambiente marino, estn sometidos al ataque de varios organismos y
pueden ser daados considerablemente en pocos meses. Cuando se
localizan arriba del nivel fretico, los pilotes son atacados por
insectos. Su vida se incrementar tratndolos con preservadores como
la creosota.
3.1.4 Pilotes compuestos
Las porciones superior e inferior de los pilotes compuestos estn
hechos de diferentes materiales, por ejemplo; se fabrican de acero
y concreto o de madera y concreto. Los pilotes de acero y concreto
consisten en una porcin inferior de acero y en una porcin superior
de concreto colado en el lugar. Este tipo es el usado cuando la
longitud del pilote requerido para un apoyo adecuado, excede la
capacidad de los pilotes simples de concreto colados en el lugar.
Los de madera y concreto consisten en una porcin inferior de pilote
de madera debajo del nivel permanente de agua y en una porcin
superior de concreto. En cualquier caso, la formacin de juntas
apropiadas entre dos materiales es difcil y por eso, los pilotes
compuestos no son muy usados.
Existen tambin los pilotes compuestos de acero y plstico,
consisten en un corazn tubular de acero rodeado por una cubierta de
plstico. La cubierta de plstico est conformada por material
reciclado. Este tipo de pilote ha sido usado exitosamente en
aplicaciones en contacto con el agua, donde su resistencia a la
accin de organismos marinos, putrefaccin y abrasin, adems de su
mayor resistencia, los convierte en pilotes superiores que los de
madera. Aunque el costo de los materiales de estos pilotes es
mayor, su largo perodo de vida til y buen estado de conservacin los
convierte en una alternativa ms atractiva que los pilotes de
madera.
3.2 Segn el mtodo de instalacin:
3.2.1 Pilotes hincados: Por golpes de martillo.
Consisten en unidades prefabricadas, usualmente de madera,
concreto o acero, hincados hacia el suelo mediante martillos a
vapor, neumticos, diesel, o vibratorios.
3.2.2 Pilotes hincados y vaciados in situ:
Hincado de una seccin hueca (envoltura de acero delgado), que
luego de ser rellenada por el concreto se retira. El tubo, llamado
tambin camiseta, puede ser o no removido.
3.2.3 Pilotes perforados y vaciados in situ:
Remueven el suelo por perforacin, para posteriormente ser
rellenados de concreto.
3.2.4 Pilotes tornillos:
Son pilotes roscados en el suelo. Se instala con maquinaria
especial y con una hlice adosada a un mandril.
3.2.5 Pilotes gateados: Usando gatos hidrulicas
Unidades de acero o concreto hincadas en el suelo mediante gato
hidrulico usados generalmente para, refuerzo y recalce de edificios
y estructuras y obras de diferente naturaleza, en las que las
soluciones convencionales resultan de difcil o imposible aplicacin.
Permiten trabajar en lugares angostos o de baja altura y en
proximidad de instalaciones en funcionamiento, evitndose la
interrupcin de actividades industriales, desalojo de vecinos o
cualesquiera otras perturbaciones que, con los procedimientos
convencionales, resultan frecuentemente inevitables.
3.3 Segn el desplazamiento del terreno:
3.3.1 Pilotes desplazantes.
La compactacin y el desplazamiento lateral que sufre el suelo,
altera las propiedades del material circundante, de tal manera que
los resultados de laboratorio y de las investigaciones, no pueden
utilizarse directamente para calcular la capacidad de carga ltima,
ya que debe considerarse la compactacin resultante y la reduccin
del esfuerzo de corte por remoldeo.
3.3.2 Pilotes de pequeo desplazamiento.
Estos no causan cambios apreciables en los esfuerzos, ni en las
propiedades de deformacin, del suelo circundante, durante el
procesote hincado, por lo tanto los resultados de campo y
laboratorio, pueden usarse directamente para calcular la capacidad
de carga y los asentamientos del suelo.
3.3.3 Pilotes no desplazantes.
Se remueve el suelo por perforacin, si se desea se forra el
hueco resultante, luego se rellena de concreto, pudiendo retirarse
el forro.
4. CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA EN LA ELECCIN DEL TIPO DE
PILOTE
4.1 Pilotes hincados
Ventajas
El material del pilote puede ser inspeccionado antes de
introducirlo en el suelo. Es estable en suelo exprimible. No se daa
con el levantamiento del terreno ocasionado por el hundimiento de
pilotes adyacentes. El procedimiento de construccin no se ve
afectado por el agua subterrnea. Pueden ser llevados fcilmente por
encima del nivel del terreno, especialmente en estructuras
martimas. Pueden ser hundidos en longitudes muy largas.
Desventajas
Se pueden romper durante hundimientos difciles, o peor an pueden
sufrir daos mayores no visibles en condiciones difciles de
hundimiento. No son econmicos si la cantidad de material en el
pilote depende de los esfuerzos de manejo y hundimiento ms que de
los esfuerzos de la carga permanente. El ruido y la vibracin
durante el hundimiento pueden causar molestias o daos. El
desplazamiento de suelo durante el hundimiento de pilotes en grupo
puede daar estructuras adyacentes o causar levantamiento de pilotes
adyacentes al levantar el suelo. No pueden ser hundidos en dimetros
muy grandes. No se pueden hundir en condiciones de poco
espacio.
4.2 Pilotes hincados y vaciados in situ
Ventajas
La longitud se puede ajustar fcilmente hasta alcanzar niveles
variables en el estrato de carga. El tubo se hunde con un extremo
cerrado, evitando el paso del agua subterrnea. Es posible formar
una base agrandada en la mayora de los tipos. El material del
pilote no est determinado por los esfuerzos de manejo o
hundimiento. El ruido y la vibracin se pueden reducir en algunos
tipos.
Desventajas
Puede ocurrir un desgaste o estrechamiento en el suelo a menos
que se tenga mucho cuidado al colar con concreto el cuerpo del
pilote. El fuste de concreto se puede debilitar si hay un gran
flujo de agua artesiana hacia el exterior de ste. El concreto no
puede ser inspeccionado despus de terminado. Existen limitaciones
en la longitud de hundimiento en la mayora de los tipos. El
desplazamiento del concreto puede daar el concreto de pilotes
adyacentes o causar levantamiento de los mismos al levantar el
suelo. El ruido, la vibracin y el desplazamiento del suelo puede
causar molestias o daos a estructuras adyacentes. No pueden ser
utilizados en estructuras de ros o mares sin adaptaciones
especiales. No se pueden hundir en dimetros muy grandes. No se
pueden hacer ampliaciones muy grandes en los extremos. No pueden
ser hundidos en condiciones de poco espacio.
4.3 Pilotes perforados y vaciados in situ.
Ventajas
La longitud puede ser variada fcilmente para adaptarse a las
diversas condiciones del suelo. El suelo removido durante la
perforacin puede ser inspeccionado, de ser necesario, se puede
muestrear o realizar pruebas in situ. Se pueden instalar en
dimetros muy grandes. Son posibles alargamientos de hasta dos o
tres dimetros en arcillas. El material del pilote no depende de las
condiciones de manejo o hundimiento. Se pueden instalar en grandes
longitudes. Se pueden colocar sin ruido, ni vibracin apreciables.
Se pueden instalar en condiciones de poca altura libre. No existe
el riesgo de levantamiento del suelo.
Desventajas
Son susceptibles a desgaste o estrechamiento en tierra
exprimible. El concreto no se instala en condiciones ideales y no
puede ser inspeccionado luego. El agua bajo presin artesiana puede
empujar el cuerpo del pilote lavando el cemento. No se pueden
formar extremos alargados en materiales no cohesivos. No se pueden
extender fcilmente sobre el nivel del suelo, especialmente en
estructuras de ros y mares. Los mtodos de perforacin pueden aflojar
suelos arenosos o gravosos. En algunos casos se debern emplear
lodos bentonticos para estabilizar el suelo.
5. ESTIMACIN DE LA LONGITUD DEL PILOTE
Seleccionar el tipo de pilote por usar y estimar su longitud
necesaria son tareas bastante difciles que requieren buen
criterio
Los pilotes se dividen en tres categoras principales,
dependiendo de sus longitudes y del mecanismo de transferencia de
carga al suelo: pilotes de punta, de friccin, de compactacin.
a) Pilotes de puntaSi los registros de perforacin establecen la
presencia de roca o material rocoso en un sitio a una profundidad
razonable, los pilotes se prolongan hasta la superficie de la
roca.
En este caso la capacidad ltima de los pilotes depende por
completo de la capacidad de carga del material subyacente; por lo
cual se denominan pilotes de punta. En la mayora de estos casos, la
longitud necesaria del pilote puede establecerse con bastante
precisin.
Si en vez de un lecho rocoso se encuentra un estrato de suelo de
suelo bastante compacto y duro a una profundidad razonable, los
pilotes se prolongan unos cuantos metros dentro del estrato
duro
Los pilotes con pedestales se construyen sobre el lecho del
estrato duro y la carga ltima del pilote se expresa como
Donde:Qp = carga transferida por la punta del piloteQs = carga
transferida por la friccin superficial desarrollada en los lados
del pilote (causada por la resistencia cortante entre el suelo y el
pilote)
Si Qs es muy pequea
En este caso, la longitud requerida de pilote se estima con
mucha precisin si se dispone de los registros de exploracin del
subsuelo.
b) Pilotes de Friccin o Fuste
Cuando no se tiene un estrato de roca o material duro a una
profundidad razonable en un sitio, los pilotes de punta resultan
muy largos y antieconmicos. Para este tipo de condicin en el sub
suelo, los pilotes se hincan en el material ms blando a
profundidades especficas.
La carga ltima resulta:
Debido a que Qp es relativamente pequeo
La longitud de estos pilotes depende de la resistencia al
cortante del suelo, de la carga aplicada y del tamao del
pilote.
c) Pilotes de compactacin
Bajo ciertas circunstancias, los pilotes se hincan en suelos
granulares para lograr una compactacin apropiada del suelo cercano
a la superficie del terreno, y se denominan pilotes de
compactacin.
La longitud depende de los factores como
La compacidad relativa del suelo antes de la compactacin La
compacidad relativa deseada del suelo despus de la compactacin La
profundidad requerida de compactacin
6. MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGAEl mecanismo de
transferencia de carga de un pilote es complicado. Para entenderlo
considere una longitud L, como se muestra en la figura (a). La
carga sobre el pilote es gradualmente incrementada de cero a Q(z=0)
en la superficie del terreno. Parte de esta carga ser resistida por
la friccin lateral, Q1, desarrollada a lo largo del fuste y parte
por el suelo debajo de la punta del pilote, Q2. Cmo estn
relacionados Q1 y Q2 con la carga total? Si se efectan mediciones
para obtener la carga Q(z) tomada por el fuste del pilote a
cualquier profundidad z, la naturaleza de la variacin ser como la
muestra la curva 1 de la figura (b). La resistencia por friccin por
rea unitaria, f(z) a cualquier profundidad se determina como :
Donde p es el perimetro de la seccin transversal del pilote.
La figura (c) muestra la variacion de f(z) con la
profundidad.Sin la carga Q en la superficie del terreno es
gradualmente incrementada, la resistencia mxima por friccin a lo
largo del fuste del pilote ser totalmente movilizada cuando el
desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea
aproximadamente de 0.2 0.3 pulgs (5 10 mm), independientemente del
tamao de su longitud L. sin embargo, la resistencia mxima de punta
Q2 = Qp, no ser movilizada hasta que la punta del pilote se haya
movido de 10 a 25% del ancho ( o dimetro) del pilote. El lmite
inferior se aplica a pilotes hincados y el lmite superior a pilotes
perforados o preexcavdos. Bajo carga ultima (figura d y curva 2 en
la figura b). Q(z=0) = Qu , Q1=Qs y Q2 = Qp
La explicacin anterior indica que Q1 (o friccin unitaria
superficial f a lo largo del fuste del pilote) se desarrolla mucho
menos comparado con el de la resistencia de punta Qp, que se ve en
los resultados de pruebas de carga en pilotes en suelo granular
reportados por Vesic (1970) mostrados en la figura (e). Note que
estos resultados son para pilotes de tubo en arena densa. Bajo
carga ultima, la superficie de falla en el suelo en la punta del
pilote (falla por capacidad de carga causada por Qp) es parecida a
la mostrada en la figura e. Note las cimentaciones con pilotes son
cimentaciones profendas y que el suelo falla principalmente por
punzonamiento. Es decir se desarrolla una zona triangular, I, en la
punta del pilote, que es empujada hacia abajo sin producir ninguna
otra superficie visible de deslizamineto.
7. ECUACIONES PARA ESTIMAR LA CAPACIDAD DE CARGA DE UN
PILOTE
El primer paso en el diseo de pilotes es calcular la capacidad
de carga ltima de pilotes individuales. Existen diversos
procedimientos de diseo, los ms sencillos sern presentados en este
trabajo. Despus de calculada la capacidad de carga ltima, deber
determinarse la capacidad de carga admisible del pilote.
La capacidad de carga ltima Qu de un pilote est dada por la
ecuacin
Donde: Qp = Capacidad de Carga de la punta del pilote Qs =
Resistencia por friccin (friccin superficial) generada en la
interfaz suelo pilote.
Numerosos estudios publicados tratan la determinacin de los
valores de Qp y Qs. Excelentes resmenes de muchas de estas
investigaciones fueron proporcionadas por Vesic (1977), Meyerhof
(1976) y Coyle y Catello (1981). Tales estudios son una valiosa
ayuda en el problema de la determinacin de la capacidad ltima de
los pilotesLa capacidad de carga ltima de cimentaciones
superficiales est dada de acuerdo a las ecuaciones de Terzaghi.
Similarmente la ecuacin general de capacidad de carga segn la forma
sugerida por Meyerhof.
Donde: se llaman factores de capacidad de carga debido a la
cohesin, sobrecarga y al peso del suelo.
Capacidad de carga de la punta, Qp
Las cimentaciones con pilotes son profundas. Sin embargo, la
resistencia ultima por rea unitaria desarrollada en la punta del
pilote se expresa por una ecuacin similar en forma a la ecuacin
general sugerida por Meyerhof, aunque los valores de sern
diferentes.
La nomenclatura usada para el ancho de un pilote es D por B en
la ecuacin general de la capacidad de carga ltima.
Como el ancho D de un pilote es relativamente pequeo, el trmino
se cancela del lado derecho de la ecuacin anterior sin introducir
un serio error, entonces tenemos
Observe que el trmino q fue reemplazado por q en la ecuacin
anterior para indicar un esfuerzo vertical efectivo. Por
consiguiente, la carga de punta de pilotes es.
Donde: Ap = ara de la punta del pilote c = cohesin del suelo que
soporta la punta del pilote = resistencia unitaria de punta q =
esfuerzo vertical efectivo al nivel de la punta del pilote =
factores de capacidad de carga
Resistencia por friccin o fuste, Qs
La resistencia por friccin superficial de un pilote se expresa
como
Donde: Ss = esfuerzo lateral (resistencia unitaria por friccin a
cualquier profundidad Z). p = permetro de la seccin del pilote L =
longitud incremental del pilote sobre el cual p y f se consideran
constantes f = resistencia unitaria por friccin a cualquier
profundidad Z
7.1. Mtodos para estimar Qp y Qs
Capacidad de Carga ltima de un Pilote en Suelo Granular
La capacidad de carga ltima de un pilote est compuesta por la
resistencia a la friccin y la resistencia en la punta. En suelos
granulares la resistencia por punta es generalmente mayor que la
resistencia por friccin lateral, luego:
Capacidad de Carga de la Punta Qp
Para pilotes en arena, c= 0
La variacin de Nq* con el ngulo de friccin del suelo se muestra
en la figura siguiente, Qp no debe exceder el valor lmite, es
decir.
La resistencia de punta lmite es:
Donde:Pa = presin atmosfrica (100KN/m2 O 2000lb/pie2) = ngulo
efectivo de friccin del suelo del estrato de apoyo
Capacidad de Carga por fuste QsLa capacidad de carga ltima de un
pilote est compuesta por la resistencia a la friccin y la
resistencia por punta. En suelos granulares la resistencia por
punta es generalmente mayor que la resistencia por friccin lateral,
luego:
Donde la resistencia unitaria por friccin f en arenas, es difcil
de estimar debido a que depende de varios factores:
La friccin lateral f a la profundidad z est dada por:
Donde:K = coeficiente lateral de tierra, la relacin de la presin
lateral a vertical en los lados del pilote. = esfuerzo efectivo
vertical a la profundidad z. = ngulo de friccin entre el pilote y
el suelo = 0.8
El coeficiente K de presin lateral de tierra que fue determinado
por observaciones de campo, se da en la siguiente figura.
Capacidad de Carga ltima de un Pilote en Suelo Cohesivo
La capacidad de carga ltima de un pilote est compuesta por la
resistencia a la friccin y la resistencia en la punta. En arcillas
la resistencia por friccin es mucho mayor que la resistencia por
punta. Luego
La resistencia por punta se obtiene de la ecuacin de Meyerhof
(1953) para la capacidad portante de suelos cohesivos.
Capacidad de Carga de la Punta QpAcilla ( = 0)
Cu = resistencia cortante inalterada en la base del pilote.Nc =
factor de capacidad de carga, generalmente se toma = 9.Ap = rea de
la punta del pilote.
Capacidad de Carga por fuste QsMtodo De acuerdo con ste, la
resistencia unitaria superficial en suelos arcillosos se representa
por la ecuacin.
Donde = factor emprico de adhesinAs = rea superficial lateral
empotrada del pilote
Factores de Adhesin para pilotes excavados (TOMLINSON).
Se usa un factor de adhesin de 0.45 para pilotes excavados en
muchas arcillas; aunque para pilotes cortos en arcilla muy
fisurada, un valor de 0.3 es ms usual. Se han reportado valores de
0.49 a 0.52 para arcilla de California. Para arcilla dura puede ser
tan bajo como 0.1. Tomlinson recomienda utilizar un valor de 0.45
si no se tiene experiencia previa con la arcilla, hasta un valor
mximo de 100 KN/m2. Esto puede ser conservador para arcillas
blandas y optimista para arcillas muy rgidas y fisuradas.
7.2. Capacidad de Carga Admisible de un PiloteLa capacidad
admisible se obtiene dividiendo la carga ltima por un factor de
seguridad. Los factores de seguridad se pueden aplicar a la
capacidad de carga ltima o a las capacidades de carga por friccin y
por punta separadamente. La capacidad de carga admisible se toma
como la menor de:
y
Donde: Qs y Qp son las cargas ltimas por friccin y por punta
respectivamente. El valor de Qs en la primera ecuacin se basa en
factores que utilizan valores promedio de resistencia cortante,
mientras que en la segunda ecuacin se emplean valores en el rango
bajo de la resistencia cortante. Las frmulas de capacidad de carga
de pilotes solo presentan un rango aproximado de la capacidad de
carga ltima. Excepto cuando se hincan pilotes hasta el rechazo, es
usual realizar por lo menos un ensayo de carga en cada sitio. Se
pueden hincar pilotes de prueba y ensayarlos hasta la falla. En
base a los resultados alcanzados, el ingeniero puede decidir la
modificacin de las longitudes requeridas.
Es preferible demorar el ensayo de los pilotes tanto cuanto sea
posible despus del hincado, para permitir el asentamiento del
pilote. Esto no es importante en pilotes en suelo granular, donde
no son significativos los efectos del tiempo, pero en limos y
arenas limosas la capacidad de carga ltima de un pilote puede ser
mucho ms alta inmediatamente despus del hincado, que una vez que ha
transcurrido un perodo de tiempo. En arcillas lo contrario es
usualmente (pero no siempre) cierto; la capacidad portante aumenta
con el tiempo, particularmente en arcillas blandas o sensibles.Para
un grupo de pilotes debe verificarse la capacidad portante del
grupo como un todo.
7.3. Friccin NegativaLa friccin negativa puede ocurrir en los
siguientes casos:
7.4. Capacidad de Carga de Grupos de PilotesLa determinacin de
la capacidad de carga de grupos de pilotes es extremadamente
complicada y no se ha resuelto an plenamente. Cuando los pilotes se
colocan cerca uno de otro, una suposicin razonable es que los
esfuerzos transmitidos por los pilotes al suelo se traslaparn fig
2.1(c), reduciendo la capacidad de carga de los pilotes.
Idealmente, deberan espaciarse de manera que la capacidad de carga
del grupo no fuese menor que la suma de las capacidades de carga de
los pilotes individuales. En la prctica, el espaciamiento, d, mnimo
centro a centro es de 2.5D y en situaciones ordinarias, es
aproximadamente de 3 a 3.5 D.
Eficiencia de GrupoEste valor est definido por:
Donde: = Eficiencia del grupo. Qg(u) = Capacidad ltima de carga
del grupo de pilotes.Qu = Capacidad ltima de carga de cada pilote
sin el efecto del grupo.a) Pilotes en arenaGeneralmente la hinca de
pilotes compacta el terreno y la resistencia del grupo es mayor que
la suma de las resistencias de los pilotes aislados. El efecto es
mximo con separacin de unos 3.5 dimetros. Sin embargo se queda del
lado de la seguridad tomando:
En el caso de pilotes perforados disminuye algo la resistencia
por el fuste y, sobre todo, en la punta por efecto de la
superposicin de tensiones. Puede tomarse
(2d s 4d)
Donde: s = Separacin entre pilotes.
b) Pilotes en arcillaEl efecto en grupo o eficiencia es en este
caso menor que la unidad, es decir:
Si los pilotes estn muy juntos (s 2d) y el cabezal se apoya en
el terreno, puede producirse la llamada rotura en bloque del
conjunto como si fuera una zapata profunda, con eficiencias de 0.6
o menores.
Resulta conveniente, por tanto, separar los pilotes como mnimo
2.5 d en cuyo caso la eficiencia puede estimarse por diversas
frmulas empricas entre las que tenemos:
Ecuacin Converse Labarre:
Donde: (grados) = arctang (D/d) D = dimetro del pilote. d =
separacin entre pilotes. m = nmero de pilotes por fila. n = nmero
de pilotes por columna. Ecuacin de Los ngeles:
Donde: = arctan d/2s.
Ecuacin Sller-Keeney:
Donde: d = Est en pies.
Feld (1943) sugiri un mtodo para determinar la capacidad de
carga de pilotes individuales (de friccin) en un grupo hincados en
arena.
De acuerdo con esto, la capacidad ltima de un pilote se reduce
en 1/16 por cada diagonal adyacente o fila de pilotes.
El procedimiento se explica con referencia a la (figura 7.4.1)
que muestra la planta de un grupo de pilotes. Para el pilote A, hay
ocho pilotes adyacentes; para el pilote B, hay cinco adyacentes y
para el tipo C, hay tres adyacentes.
Ahora se prepara la tabla 2.1:
Por consiguiente:
Figura 7.4.1: Mtodo de Feld para estimar la capacidad de un
grupo de pilotes de friccin
c) Pilotes en rocaPara pilotes de carga de punta apoyados sobre
roca, la mayora de los reglamentos de construccin especifican que
Qg(u) = Qu siempre que el espaciamiento mnimo centro a centro de
pilotes sea D + 300 mm. Para pilotes H o con seccin transversal
cuadrada, la magnitud de D es igual a la dimensin diagonal de la
seccin transversal del pilote.8. PILOTES CARGADOS LATERALMENTE
Una cimentacin por pilotaje puede estar sometida a fuerzas
horizontales derivadas de los empujes de viento, fuerzas de
corriente de agua, efectos ssmicos, etc. Si V es el valor de las
cargas verticales:
Tabla 8.1Cargas horizontales.Actuacin.
0.005V0.005V - 0.10V> 0.10VNo es necesario considerarlas.Las
absorben los pilotes a flexin.Se requieren pilotes inclinados,
anclajes, etc
Un pilote vertical resiste cargas laterales movilizando la
presin pasiva en el suelo que lo rodea. El grado de distribucin de
la reaccin del suelo depende de:
La rigidez del pilote La rigidez del suelo La inamovilidad en
los extremos del pilote.
En general los pilotes cargados lateralmente se clasifican en
dos tipos principales.
Pilotes cortos o rgidos. Pilotes largos o elsticos.
Las figura a y b muestran la naturaleza de la variacin de la
deflexin del pilote y la distribucin del momento y fuerza cortante
a lo largo de la longitud del pilote.
Naturaleza de la variacin de la deflexin, momento y fuerza
cortante en pilotes rgidos.
Naturaleza de la variacin de la deflexin, momento y fuerza
cortante en pilotes elsticos.
Solucin elstica.Suelo granular: Un mtodo general para determinar
momentos y deslizamientos en un pilote vertical hincado en suelo
granular y sometido a carga lateral y momento en la superficie del
terreno fue dado por Matlock y Reese (1960). Considere un pilote de
longitud L sometido a una fuerza lateral Qg y a un momento Mg en la
superficie del terreno (z=0), como muestra la figura (a). La figura
(b) muestra la forma deflexionada general del pilote y la
resistencia del suelo causad por la carga y el momento aplicados.De
acuerdo con un modelo ms simple de Winkler, un medio elstico (suelo
en este caso) es reemplazado por una serie de resortes elsticos
independientes infinitamente cercanos entre s. Con base en esta
hiptesis,
(a) Pilote cargado lateralmente; (b) resistencia del suelo sobre
un pilote causado por carga lateral; (c) convenciones de signo para
desplazamiento, pendiente, momento, fuerza cortante y reaccin del
sueloDnde: k = mdulo de reaccin del subsuelo o coeficiente de
balasto. p = presin sobre el suelo. x = deflexin.El mdulo de
reaccin para suelos granulares a una profundidad z se define
como.
Dnde: = constante del mdulo de la reaccin horizontal del
subsuelo.
Con referencia a la figura (b) y usando la teora de vigas sobre
cimentacin elstica, escribimos
Donde: Ep = mdulo de elasticidad del material del pilote. Ip =
Momento de inercia de la seccin del pilote.
Con base en el modelo de Winkler
El signo de la ecuacin es negativo porque la reaccin del suelo
tiene direccin opuesta a la de la deflexin del pilote.
Combinando las ecuaciones (1) y (2) resulta:
La solucin de la ecuacin (3) conduce a las siguientes
expresiones:Deflexin del pilote a cualquier profundidad
Pendiente del pilote a cualquier profundidad
Momento del pilote a cualquier profundidad
Fuerza cortante sobre el pilote a cualquier profundidad
Reaccin del suelo a cualquier profundidad
Dnde: Ax, Bx, A, B, Am, Bm, Av, Bv, Ap y Bp son coeficientes
T = longitud caracterstica del sistema suelo-pilote.
Cuando L 5T, el pilote se considera como pilote largo. Para L
2T, se considera como pilote rgido. La tabla 2.1 da los valores de
los coeficientes para pilotes largos (L/T 5). Note que en la
primera columna de la tabla 2.1, Z es la profundidad
adimensional
Las convenciones de signo positivo para Xz(z), z(z), Mz(z),
Vz(z) y pz(z) supuestas en las derivaciones en la tabla 2.1 se
muestran en la figura 7(c) La figura 2.4 muestra la variacin de Ax,
Bx, Am, Bm, para diversos valores de L/T = Zmx. sta muestra que,
cuando L/T es mayor que aproximadamente 5, los coeficientes no
cambian, lo que es cierto slo en pilotes largos.
El clculo de la longitud caracterstica T para el pilote requiere
suponer un valor apropiado para nh. La tabla 2.2 da algunos valores
representativos de nh .
Suelos cohesivos:Soluciones elsticas similares a las dadas en
las ecuaciones anteriores para pilotes hincados en suelos cohesivos
fueron dadas por Davisson y Gill (1963) y se dan en las ecuaciones
siguientes
Donde: Ax, Bx, Am, Bm, son coeficientes.
Los valores de los coeficientes A y B se dan en la figura 2.5.
Note que El uso de las ecuaciones 2.26 y 2.27 requiere conocer la
magnitud de la longitud caracterstica R, y se calcula con la
ecuacin 2.25, siempre que se conozca el coeficiente de reaccin del
subsuelo. Para arenas, el coeficiente de reaccin del subsuelo fue
dado por la ecuacin 2.28 que mostr una variacin lineal con la
profundidad. Sin embargo, en suelos cohesivos, la reaccin del
subsuelo se supone aproximadamente constante con la profundidad.
Vesic (1961) propuso la siguiente ecuacin para estimar el valor de
k:
Donde: Es = Mdulo de elasticidad del suelo. D = Ancho del pilote
(o dimetro). s = Mdulo de Poisson del suelo.
Fig. 4.10 Variacin de Ax, Bx, Am, Bm con Z (segn Davisson y
Gill, 1963).
8. DISTRIBUCIN DE CARGAS
Cuando la carga vertical transmitida por el pilar P coincide con
el centro de gravedad de los n pilotes agrupados bajo un encepado
de suficiente rigidez, puede admitirse que cada pilote recibe una
carga.
Existen bastantes casos, sin embargo, en que el pilar transmite
al encepado adems de la carga vertical P, un esfuerzo cortante o
carga horizontal Q y un momento M. Bajo estas solicitaciones el
encepado sufre desplazamientos y giros de los que resultan cargas
desiguales en los pilotes, llegando stos, en algunos casos, a
trabajar a traccin.Para determinar los esfuerzos en cada pilote
pueden seguirse tres mtodos:a) Ignorar la presencia del terreno,
descomponiendo por mtodos estticos las acciones exteriores segn las
direcciones de los pilotes, suponiendo estos articulados en el
encepado.
b) Sustituir las reacciones horizontales del terreno sobre los
pilotes por un empotramiento ficticio a una cierta profundidad,
determinando luego los esfuerzos mediante un programa de clculo de
estructuras.
c) Suponer los pilotes embebidos en un medio elstico continuo al
que se aplican las condiciones de equilibrio y compatibilidad de
deformaciones.El ms sencillo es evidentemente el primero, el cual
resulta suficientemente aproximado cuando los pilotes son
relativamente largos y esbeltos y de la misma longitud.El caso ms
frecuente es el del grupo de pilotes paralelos:
Carga vertical excntricaDonde: xi, yi = Coordenadas del centro
de cada pilote referidas a los ejes del encepado. Ai = rea de cada
pilote. Pt = Carga vertical total, incluyendo el peso del encepado,
aplicando la frmula de la compresin compuesta:
Por el teorema de Steiner y despreciando la inercia de la seccin
de cada pilote resulta: Y en el caso de ser todos los pilotes de
igual seccin A, queda finalmente
Grupo de pilotes paralelos
Si alguna de las cargas Pi resultara negativa (es decir, de
traccin), puede admitirse si es del mismo orden del peso del
pilote. Si es superior puede aumentarse el peso del encepado (lo
cual suele ser antieconmico) o mejorar la inercia del grupo (mayor
xi2 yi2) separando ms los pilotes.
En determinados casos se llega a hacer trabajar los pilotes a
traccin aumentando su longitud y disponiendo una armadura
adecuada.
Sistema de carga General
El sistema de cargas, reducido al centro de gravedad del
encepado, comprende una carga vertical Pt, una carga horizontal Q y
un momento M (respecto al eje de mayor inercia del encepado y
despreciando el momento en un plano ortogonal). Dicho sistema puede
reducirse a una resultante inclinada R, actuando con excentricidad
respecto al eje del encepado.
Si se suponen los pilotes articulados es evidente que hay que
colocar pilotes inclinados para conseguir un sistema de reacciones
axiales en los pilotes que equivalga a la resultante exterior
R.
Normalmente los pilotes no sobrepasan los 15 - 20 de inclinacin
respecto a la vertical y no suelen combinarse ms de 2 3
inclinaciones en un mismo encepado.
En estos casos las fuerzas en los pilotes pueden obtenerse por
descomposicin grfica, segn el mtodo debido a Culmann (fig. 3.2). Si
existen varios pilotes en una misma direccin se sustituyen por su
eje comn (lnea de la misma inclinacin que pasa por el centro de
gravedad de las cabezas de los pilotes) y luego la componente
correspondiente a ese eje se divide entre los pilotes agrupados en
el mismo.
Otro mtodo aproximado es el grafo-analtico que aparece en la
figura 3.3 y que comprende los pasos siguientes:
1. Se calculan las componentes verticales de la carga de cada
pilote por la frmula de flexin compuesta.
2. Se dibuja un polgono de fuerzas a partir de Pt y Q dividiendo
P proporcionalmente a Vi. Las fuerzas en los pilotes se obtienen
trazando paralelas a las direcciones de los mismos hasta cortar las
particiones anteriores.3. Si el polgono no cierra, quedando una
fuerza horizontal sin compensar Qe , sta puede repartirse a partes
iguales entre todos los pilotes o corregir las inclinaciones de los
mismos hasta Qe = 0.
Para proyectar pilotajes con varias inclinaciones conviene tener
presente la notacin del centro elstico. Se obtiene por la
interseccin de los ejes de los pilotes o grupos de pilotes (que,
por lo tanto, deben ser recurrentes) y tiene la propiedad de que
las fuerzas que pasa por l slo producen traslaciones del encepado.
Estos giros dan tambin lugar a esfuerzos axiales proporcionales a
la distancia o brazo de cada pilote respecto a su eje
representativo. (Fig. 3.4).
9. DISEO ESTRUCTURAL DE PILOTES DE CONCRETO
Los especialistas en diseo tienen la libertad de disear de
acuerdo con su conocimiento y experiencia, pero deben verificar que
sus resultados cumplan con el reglamento de diseo y construccin que
norme tcnicamente las obligaciones generales de seguridad y
funcionalidad de la localidad.
En el diseo estructural de una cimentacin debe tenerse en
cuenta, en el grupo en que sean significativos, los siguientes
factores: Capacidad de carga del material de apoyo (suelo o roca).
Deformaciones del suelo, inmediatas y diferidas. Resistencia y
rigidez de la subestructura. Resistencia y rigidez de la
superestructura.
Los pilotes deben ser capaces de resistir sin daarse: El
aplastamiento bajo cargas verticales. El aplastamiento por impacto
durante en hincado. Fuerzas horizontales que ocasionen flexin.
Fuerzas excntricas que causen flexin. Momentos flexionantes por
curvatura. Efecto de columna en los tramos sin soporte lateral del
terreno en contacto con aire, agua o lodo muy fluido.
Los pilotes deben tener un rea suficiente tanta lateral como en
seccin transversal, para poder transferir la carga al estrato de
suelo seleccionado en el caso de pilotes de friccin, y suficiente
rea en la base si son pilotes trabajando por punta.
En el diseo estructural de una cimentacin puede seguirse el
procedimiento bsico siguiente:
Calclense las fuerzas y momentos transmitidos a la cimentacin
por la superestructura. Supnganse unas dimensiones para la
cimentacin (el rea de cimentacin debe ser tal, que bajo las cargas
y momentos que la estructura transmite a la subestructura no se
exceda la capacidad de carga calculada del terreno). Supngase una
distribucin de presiones de contacto entre la subestructura y el
suelo o, en caso en sistema formado por el suelo y los pilotes, que
cumplen con las condiciones siguientes: Existe equilibrio local y
general entre las presiones de contacto, las fuerzas internas en la
subestructura y las fuerzas de momentos transmitidos a esta por la
superestructura. Los hundimientos diferencial, inmediatos ms
diferidos, calculados con la presin de contacto supuesta actuando
sobre el terreno y los pilotes, son menores que los tolerados por
la superestructura Los asentamientos diferenciales, inmediatos ms
diferidos, calculados con la presin de contacto supuesta, actuando
sobre combinacin de superestructura y subestructura, son menores
que los permisibles.Si no se cumple alguna de las condiciones
anteriores, debe suponerse otra distribucin de presiones de
contacto y repetirse el proceso.
Los pilotes de concreto colados en el sitio son cilindros o
prismas de gran longitud en relacin a su dimetro, cuya capacidad de
carga es la suma de su resistencia por rozamiento con el terreno y
su apoyo en punta.
Una vez determinada la carga de hundimiento y los asientos
correspondientes a la carga admisible, se procede al
dimensionamiento estructural del pilote; el cual puede ser
calculado como una columna corta. Sin embargo, hay dos diferencias
importantes a ser tomadas en cuenta en el diseo estructural. El
pilote est rodeado por el terreno, lo que disminuye el peligro de
pandeo. Aun cuando el terreno sea muy blando.
Las cargas que se admiten para los pilotes de concreto colados
en el sitio son inferiores que para otro tipo de estructura debido
a la incertidumbre de la calidad del concreto en el interior de la
perforacin.
Conociendo las cargas axiales, fuerzas horizontales y momentos
ltimos aplicados al pilote se disean estructuralmente los pilotes
de la siguiente manera:
Como columnas sujetas a compresin o flexo-compresin en funcin de
la relacin de esbeltez Con pilotes y encepados de suficiente
rigidez pueden considerarse los pilotes como empotrados en cabeza.
Si adems poseen una longitud apreciable cabe admitir que, a partir
de una cierta profundidad los giros y desplazamientos son
despreciables, es decir, existen condiciones de empotramiento. Por
otra parte, el terreno que rodea los pilotes ofrece resistencia a
su desplazamiento horizontal por lo que stos se deforman como si
tuvieran una longitud de flexin bastante inferior a la real (fig
3.6)
En pilotes prefabricados de concreto el esfuerzo mximo
admisible, no debe exceder de 0.33fc en la seccin transversal total
de concreto, en todo caso la resistencia ltima ser la indicada a
continuacin:
Los pilotes se disean como columnas
DIMENSIONES RECOMENDADAS DE PILOTES TIPO
FRANKIEd30cm39.5cm40.6cm45cm
b30cm30cm40cm40cm
e75cm (arenas), 90cm(arcillas)90.105cm100,120cm110, 135
a35cm40cm45cm50cm
H80cm90cm100cm110cm
As41/2(min), 81/2(mx)51/2, 85/845/8, 83/455/8
estribosespiral 1/4@15cm1/4@15cm1/4@20cm1/4
EJECUCION EN PILOTES FRANKIE