analisis dinamico de cimentaciones profundas con pilotes

1.1. RESUMEN.RESUMEN.

2.2. OBJETIVOS.OBJETIVOS.

3.3. FUNDAMENTOS TEORICOS.FUNDAMENTOS TEORICOS.

4.4. PRUEBAS DINAMICAS DE PILOTES.PRUEBAS DINAMICAS DE PILOTES.

5.5. APLICACIÓN DE ECUACION DE ONDAAPLICACIÓN DE ECUACION DE ONDA..

6.6. APLICACIÓN DE ENSAYOS PDAAPLICACIÓN DE ENSAYOS PDA

EVALUACION DE LA CAPACIDAD DE CARGA DINAMICA DE PILOTES USANDO LA ECUACION DE ONDA

Enrique Francisco Luján Silva

En el presente trabajo de investigación se presenta la evaluación de la capacidad de carga dinámica de pilotes, usando métodos dinámicos, basados en la ecuación diferencial parcial llamada ecuación de onda.

Se presenta una revisión de los fundamentos teóricos del análisis del hincado de pilotes, aplicaciones de mediciones dinámicas, así mismo se presenta un resumen de la evaluación de los modelos de suelos para el análisis unidimensional del hincado de pilotes.

El uso de métodos dinámicos, basado en modelos numéricos, constituye una herramienta que posibilita un análisis completo de los pilotes, así mismo permite evaluar el comportamiento dinámico, predecir la carga de ruptura del suelo para cargas verticales axiales de compresión, deformaciones, tensiones.



OBJETIVOSOBJETIVOS

1.1. Analizar los principales métodos de comportamiento reológico Analizar los principales métodos de comportamiento reológico

del suelo que se presentan como alternativas del modelo del suelo que se presentan como alternativas del modelo

tradicional desarrollado por Smith (1960).tradicional desarrollado por Smith (1960).

2.2. Discutir el método de análisis CAPWAP, con el propio modelo de Discutir el método de análisis CAPWAP, con el propio modelo de

Smith.Smith.

3.3. Evaluación de la Capacidad Carga Dinámica de Pilotes hincados Evaluación de la Capacidad Carga Dinámica de Pilotes hincados

aplicando el método CASE - CAPWAP. aplicando el método CASE - CAPWAP.



1. La ecuación de onda fue desarrollada para el estudio de impacto en la extremidad de una barra.

2. Publicó una solución de ecuación de onda al hincado de pilotes.

3. Publicaron estudios matemáticos y experimentos de propagación de ondas de tensión en el pilote.

4. La teoría de ecuación de onda sustituía a las formulas dinámicas de hincado de pilotes.

Hincado de Pilotes

Introducción

Es un problema de transmisión

de ondas longitudinales

Ecuación Diferencial de

Onda

Saint Venant (1866), Fox (1932), Glanville (1938), Cumming (1940).

FUNDAMENTOS TEÓRICOSFUNDAMENTOS TEÓRICOS

5. Los fundamentos y análisis detallado de simulaciones de martillo, capacidad del fuste y amortiguador que el pilote genera al suelo.

6. La matemática es óptima pero deja atrás las condiciones reales de un hincado de pilotes.

Smith (1950 y 1960), Nakao (1981)



La ecuación que rige el desplazamiento de la La ecuación que rige el desplazamiento de la

ondaonda

r (dr (d22u/ u/ ddtt22) = E () = E (dd22u/ u/ ddxx22))

D’Alambert mostró también que la ecuación D’Alambert mostró también que la ecuación

arriba tiene una solución del siguiente tipo:arriba tiene una solución del siguiente tipo:

u = F(x - ct) + G(x + ct), u = F(x - ct) + G(x + ct), dondedonde cc22 = E/ = E/rr

Fundamentos del análisis del hincado de

pilotes

Propagación de Ondas Longitudinales en barras

uniformes

El desarrollo para obtener la ecuación de

onda proviene de Timoshenko y Godier

D`”Alembert (1747), Euler (1748) y Bernoulliu (1953).




Esta solución muestra que la propagación de la onda se da a través de la superposición de dos funciones, una que se desplaza desde la cabeza hacia la punta y otra en el sentido opuesto, ambas con la misma velocidad fija igual a c.

F(x-ct)

G(x+ct)





pilotes


uniformes

Es posible también demostrar que la onda sufre reflexiones cuando encuentra resistencia del suelo o cualquier variación en el área de sección, en el módulo de elasticidad o en el peso específico del material del pilote.

La velocidad de propagación de la onda c es una constante que depende apenas de las propiedades del material del pilote.

El factor de proporcionalidad entre la fuerza y la velocidad denominado como impedancia Z del pilote es:





pilotes


uniformes

K1

K2

K3

K4

K5

K7

K8

K9

K10

K11

K6

ALTURA DE CAIDA

R3

R4

R5

R7

R8

R9

R10

R11

R6

R12

W1

W2

W4

W5

W6

W7

W8

W9

W12

W3

W10

W11

MARTILLO

LARGUERO

CASCO

REAL MODELO

RESISTENCIA DE LA PUNTA

PILOTERESISTENCIA POR FRICCION LATERAL

Fundamentos del Análisis del Hincado

de Pilotes

Modelo Numérico Propuesto por Smith

Según Smith los objetos son

representados por pesos concentrados

separados por resortes sin pesos.




A D C

DESPLAZAMIENTO

BFUERZA


de Pilotes





Q

Ru

s

Qs DESPLAZAMIENTO

CARGA

O C

BA

X .

Rx

Quake: valor de desplazamiento para una capacidad de carga Ru lograda




de Pilotes


Según Smith los objetos son

representados por pesos concentrados

separados por resortes sin pesos.


Aplicaciones de las mediciones dinámicas

La primeras mediciones dinámicas durante el hincado fueron realizadas por Glanville et ál. (1938). Las fuerzas fueron medidas utilizando transductores de deformación piezoeléctricos en pilotes de concreto.

Principales aplicaciones de las mediciones

dinámicas:

• Evaluación de la capacidad de carga

del pilote.

• Verificación de la integridad del

pilote.

• Determinación de las tensiones del

pilote durante el hincado

• Determinación de la eficiencia del

sistema de hincado.




La resistencia total R tiene dos componentes:

Una porción que varia con el desplazamiento, la

Resistencia Estática (Rs), que es lo que se quiere medir.

.Una porción que varia con la velocidad, la Resistencia

Dinámica (Rd), que tiene que ser restada de R para obtención de Rs

La Resistencia Dinámica es determinada usando:

Donde:

. Jc es un factor adimensional, en principio función del tipo de suelo (menor para suelos no cohesivos, mayor para suelos cohesivos)

. Z es la impedancia del pilote

. vpunta es la velocidad en la punta del pilote, determinada a partir de la fuerza y de la velocidad en la cabeza, con base en principios de la mecánica de las ondas




Aplicaciones de las Mediciones Dinámicas

Haciendo las sustituciones, llegase a la siguiente fórmula para la Resistencia Estática:

Jc, o “factor de amortiguamiento de CASE” puede ser estimado en función del tipo de suelo, con base en los valores típicos a continuación:



Aplicaciones de las Mediciones Dinámicas

METODO CASE


Obtiene velocidades pico, velocidades de impacto, alturas de caída y la energía cinética y potencial de cualquier martillo.

Sistema mas usado para el análisis de hincado de pilotes y pruebas de carga dinámica en el mundo.

Software que determina la capacidad de carga total de una fundación, así como la distribución de resistencia a lo largo del fuste y en la punta.

CAPWAP

Analizador de Hincado de Pilotes (PDA)

Analizador de desempeño del Martillo (HPA)

PRUEBAS DINAMICAS DE PILOTES

Evalúa la longitud de los pilotes de acero por medio del método de campo inductivo.

Registra los parámetros relevantes en una hinca de pilotes.

Programa de Análisis basado en la ecuación de onda unidimensional, simula el comportamiento de un pilote cuando es sometido a un golpe de un martillo.

GRLWEAP

Saximeter (E- SAX)

Equipo Prueba Inductiva de Longitud (LITE)




Confirma la ausencia de grietas y vacios importantes en cualquier tipo de fundación de hormigón antes de la construcción de la superestructura.

Probador de Integridad de Pilotes (PIT)




Masa

Amortiguador del MartilloSombrero, campana (helmet)

Almohadilla (pilotes de hormigón)

Sistema de hincaSistema de hinca

Pilote Pilote considerado considerado como varilla como varilla

esbelta (slender esbelta (slender rod)rod)



TERMINOLOGIATERMINOLOGIA

¿Cuándo usar?› Antes de iniciar el hincado› Después de la hinca de los pilotes prueba (refinado)

¿Por qué usar?› Formular criterio de parada de hinca› Selección de equipamiento› Determinación de tensiones› Cálculo del rechazo› Determinación de la capacidad (conociendo el

rechazo)

APLICACIÓN DE ANALISIS DE APLICACIÓN DE ANALISIS DE ECUACION DE ONDAECUACION DE ONDA

Siglo 18: Soluciones cerradasFinal siglo 19: Fórmulas de rechazo1920’s: 1as mediciones de deformación1950: Ecuación de la onda de Smith1960’s: Proyecto CASE, PDA, CAPWAP1976: WEAP, TTI1986: Estudio de desempeño de martillos1996: FHWA Manual

Historia de los ensayos/análisis Historia de los ensayos/análisis dinámicos de pilotesdinámicos de pilotes

TerminologíaTerminologíaTerminologíaTerminología

Masa

Amortiguador del Martillo

Sombrero, campana (helmet)

Almohadilla (pilotes de hormigón)

Sistema de hincaSistema de hinca

Pilote considerado Pilote considerado como varilla como varilla

esbelta (slender esbelta (slender rod)rod)

El análisis de ecuación de la onda calcula el desplazamiento de cualquier punto a lo largo de una barra esbelta en cualquier instante de tiempo.

El cálculo tiene como base los siguientes parámetros de la barra

› Longitud› Área de sección transversal› Módulo de Elasticidad› Densidad de Masa

Para este análisis, la “barra” es el Sistema Martillo + Sistema de Hinca + Pilote

La barra es considerada elástica y esbelta

El suelo es representado por fuerzas actuando en la interfaz con el pilote

L= L/N L= L/N 1m 1m

Densidad de masa, Densidad de masa, Modulo, EModulo, E

Área, AÁrea, A

Resorte (resistencia estática)Resorte (resistencia estática)Amortiguador (resist. dinámica)Amortiguador (resist. dinámica)Masa mMasa mi i Rigidez kRigidez kii

La resistencia del suelo retarda el movimiento del pilote y provoca su rebote.

Un pilote que se mueve muy lentamente solo encuentra resistencia estática.

Un pilote que se mueve rápidamente también encuentra resistencia dinámica.

La resistencia estática a la hinca puede ser diferente de la resistencia del suelo a cargas estáticas.

• Ubicación: Manabi - Ecuador• Longitud: 2 kilómetros

En general se encuentran 25 metros de arenas sueltas licuables, seguidos por estratos de limos y arcillas hasta una profundidad de aproximadamente 80 metros donde se encuentra la roca sana.

Zona de alto riesgo Sismico. ( En 1998 un sismo de 7.3 destruyo la ciudad de Bahia de Caraquez)

El estuario donde se construye el puente tiene un nivel de variacion de marea de aproximadamente 3 metros y la profundidad maxima del rio en esta ubicacion es de 5 metros.

•Pilones principales - Dos pilotes vaciados de 1.9 metros de diámetro de 90 metros embebidos en

la roca sana.

•Pilones principales- 8 o 9 pilotes tubulares de 1.2 metros

•de diametro a 50 metros. Pilotes de resistencia por fuste.

• Ubicación: Caicara del Orinoco - Venezuela• Longitud: aproximadamente 3 kms.

1. La solución analítica de la ecuación diferencial de ondas longitudinales a través del modelo numérico de Smith, permite determinar componentes para diversos enfoques de pilotes.

2. El problema de propagación unidimensional de ondas en pilotes ha sido abordado para su estudio debido a que considera el comportamiento de dichas estructuras y el suelo durante el proceso de hincado de pilotes y la acción de cargas dinámicas.



CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

3. La resistencia del suelo esta dada por la suma de dos componentes:

Componente Estática y Componente Dinámica.

4. El pilote es asumido uniforme, su material idealmente plástico y no ofreciendo ninguna resistencia a la propagación de onda; el suelo es asumido idealmente plástico; se desprecia los movimientos del suelo con relación al pilote.




5. El principal objetivo del Ensayo Dinámico es obtener la capacidad de ruptura del suelo. Sin embargo, paralelamente muchos otros datos pueden ser obtenidos por el ensayo.

6. Es importante usar un martillo capaz de aplicar una energía que movilice lo máximo posible de la resistencia disponible del suelo. En el caso de disponerse de martillo de caída libre, puede aumentarse la altura de caída, hasta cierto límite.




7. En suelos con características poco comunes o desconocidas, es siempre aconsejable hacerse por lo menos una prueba estática de verificación, para comprobar si la metodología adoptada para los Ensayos Dinámicos está correcta.

Soil resistance Predictions From Pile Dynamics” – Rausche, F., Goble, G, and Moses F., Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol, 98, N° SM9, Sep. 1972, pp. 917-937.

« Dynamic Détermination of Pile Capacity » - Rausche, F., Goble, G. and Likins, G., ASCE 1985.

« On the Apllication of PDA Dynamic Pile Testing » - Goble, G. and Likins, G.- STRESSWAVE’96 Conférence, Orlando, FL, 1996.

« Pile Damage Assessments Using the Pile Driving Analyzer » - Webter, S. and Teferra, STESSWAVE’96 Conférence, Orlando, FL, 1996.

Gracias por su atención

analisis dinamico de cimentaciones profundas con pilotes

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