diseño izaje e hinca de pilotes precolados en muelles en manzanillo

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Ing. Gustavo Manuel Portillo U. de C., U.A.CH. [email protected] Campus Coquimatlán, 03 junio 2007

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Ing. Gustavo Manuel Portillo

U. de C., U.A.CH.

gustavomportillo@

msn.com

Campus Coquimatlán, 03 junio 2007

DISEÑO

SONDEOS GEOTECNICOS SPTANALISIS POR PUNTA SPT-MEYERHOFF MEDIANTE SPT

ANALISIS POR FRICCION MEDIANTE SPT

RIGIDECES RELATIVAS MEDIANTE SPT

FUERZAS LATERALES

DISEÑO DEL PILOTE

PROCESO CONSTRUCTIVO

IZAJE

CHIFLONEO

MARTINETE

HINCA

PRUEBAS DINAMICAS DE CAPACIDAD DE CARGA

SONDEOS GEOTECNICOS

Prueba de penetración standard

SECCION TRANSVERSAL DEL MUELLE

RESULTADOS DE LOSSONDEOS GEOTECNICOS

DATOS

Elev: -24.00NPT: 68

ɸ: 38Cr: 89%

ANALISIS DEL DISEÑOCAPACIDAD DE CARGA POR PUNTA EMPLEANDO EL

METODO DE MEYERHOFF, PARA PRUEBAS SPT (1956,1976)

Ppu= Ap (40N) Lb < Ap (380N) (KN)B

N: promedio SPT N55, en la zona abajo 8B a 3B

B: ancho de pilotes 0.55m x ladoLb: penetración del pilote en el estrato

resistenteAp: área del pilote (0.55x0.55)=0.30m2

8B

3B

Ppu= 0.3 (40x68) 8 < 0.30 (380 68) (KN)0.55

Ppu= 1220.48 > 797.12 (RIGE)

FS > 3

Qp= 265.71 tons

ANALISIS POR FRICCION (SHIO & FUKUI, 1982)

fs= 2N kpa *0.1019

fs= 13.87 tons/m2

AL= 0.55 x 4 caras * 8 mts empotramiento = 17.6 m2

Qs= 17.6 x 13.87 = 244.12/3 = 81.37 tons

QT= Qp +Qs

QT= 265.71+81.37

QT = 347.08 tons

55

El empotramiento del pilote se considera que esta desde la -16 a la -24, en consecuencia son 8 mts, de empotramiento y es la longitud que desarrolla la resistencia por fricción

Superficie del Muelle 50.48 x 25

Area = (50.48x2lados)x8 emp. +(25x2)x8 807.68+400= 1207 m2

Qf gpo= (81.37)*1207=98,213 tons

1,620 +1,968.72+1,459.7+29,767=34,815.42 tons

Qp gpo= 256 x 265.71= 68,021 tons

Q tot gpo=98,213 + 68,021= 166,234tons

Peso grua=1,620 tons

Peso losa=1,968 tons

Peso pilotes=5.7x2.4x256=1,459.7 tons

Area xpeso= 273m x 2.7t/m3*80%=589.68*50.48 =29,767tons

No. de pilotes =34,815/347.08 =101

50.4825

8

INFLUENCIA DE LA CARGA LATERAL

Los pilotes se consideran como elementos estructurales en el nivel -24, apoyados en resortes intermedios y conectados rigidamente a las equivalentes.

la constante de rigidez traslacional de los resortes intermedios obtuvieron con base al modulo de reacción horizontal señalado en manual de diseño y construcción de pilas y pilotes, sección 3.3.7.1, de sociedad mexicana de mecánica de suelos (S.M.M.S). dado que se trata de un suelo sin cohesion:

Ks = nh ZD

Ks: coeficiente de reacción lateral a la profundidad Z ton/m3Z: profundidad en metrosD: diámetro del pilote en metrosNh: constante de compacidad del terreno

INDICE Nc CON BASE AL NUMERO DE GOLPES DE LA PRUEBA DE PENETRACION

El coeficiente de reacción lateral para arenas saturadas en base al índice Nc

Nc = N 1 en kg/cm 2

nh = Nc +0.03Nc x 0.36+32

1.7

σ'SPT√

: esfuerzos efectivo del suelo en kg/cm2 nota: se debe tomar el peso del agua σ'

VALORES DE nhCONCHA TURBA ARENA ARENA

FINA GRUESAton/m3 ton/m3 ton/m3 ton/m3

ARRIBA DEL N.A.F. 230 680 680DEBAJO DEL N.A.F. 130 50 450 450

El coeficiente de reacción Ks en grupo de pilotes en función de la separación entre ellos se aplica un factor de reducción.

Espaciamento K grupo

8D 1.00 Ks6D 0.70 Ks4D 0.40 Ks3D 0.25 Ks

Por lo tanto en nuestro caso:

8 (0.55) = 4.4 mts K grupo = 7.27 D x 1 Ks = 0.91 Ks8 D

El manual de la S.M.M.S. señala que el espaciamiento entre pilotes perpendiculares a la dirección de la carga no tiene influencia, siempre que sea mayor a 2D. Por lo tanto se despreciará el factor de reducción por grupo de pilotes dado que 7.27 D > 2 D

donde D: es lado o diámetro del pilote

LA DISTRIBUCION Y MAGNITUD DE LOS MOMENTOS Y DEFLEXIONES EN UN PILOTE A FUERZAS HORIZONTALES, ESTA EN FUNCION DE LA RIGIDEZ REALTIVA T DEL PILOTE SUELO ( SECCION 3.3.7.2,)

T= E I Ks

1/5

Donde:E: módulo de elasticidad del concreto ton/m2I: momento de inercia de la sección m4

EL módulo de elasticidad el A.C.I. 318-05, AL igual que sus precederos lo consideran comoE: 15100 √ f’c, pero el factor de 15100, fue obtenido con resultado de los ensayos de los diferentes agregados de la unión americana, distinto a los agregados aplicados en el Puerto de Manzanillo, la API ha encontrado que los agregados de la región no son densos, y esto ocasionan mayores deformaciones, en consecuencia solo con el diseño de la mezcla de concreto para los pilotes de API Manzanillo se han obtenido valores superiores a los 13000 √ f’c a los 28 días y 14000 √ f’c a los 90 días, por lo que se toman valores absolutos de 270,000 para f’c a los 28 días y 315,000 a los 90 días.

Concreto f’c diseño /días f’c real cemento a/c Ec E: 15100 √ f’c

300/ 28 300 CPC 30 RS 0.5 181,000 10,455350/ 28 425 CPEG 30 RS BRA 0.5 271,500 13,170/14512500/ 90 517 CPEG 30 RS BRA 0.5 324,000 14249/17318

A partir de los valores de la rigidez relativa (T) se calculan los momentos a la profundidad (Mp) a la profundidad Z, y las deflexiones a la profundidad z (dδ)

Mp = Fm P T

Mp momento a la profundidad z, t mFm factor de momentoP carga horizontalT rigidez relativaE módulo elasticidad concreto t/m2I momento de inercia del pilote m4

A partir de los valores de la rigidez relativa (T) se calculan los momentos a la profundidad (Mp) a la profundidad Z, y las deflexiones a la profundidad z (dδ)

dδ = Fδ (PT )/EI3 dδ deflexión a la profundidad z, mtsFδ coeficiente de deflexiónP carga horizontalT rigidez relativaE módulo elasticidad concreto t/m2I momento de inercia del pilote m4

Para la determinación de las fuerzas internas que se generan en el pilote por efecto de las cargas laterales aplicadas en sus extremos, se considera al pilote empotrado a una profundidad (le) debajo del nivel de contacto con el estrato resistente.

Le = 1.8 T

Le = 1.8 (1.8) = 3.24 mts

Con base al momento máximo obtenido, se procede a diseñar al pilote como columna, pero considerando al pilote como rígido. La rigidez del pilote esta dada por el suelo.

Para considerarse la rigidez no debe haber esbeltez, para que no fallase por pandeo sino por su comportamiento idealizado como rígido correspondería a una columna corta. Lo anterior se soporta en el manual de la S.M.M.S.

Mn = Mu = 35.96 = 39.96 ton mtɸ 0.90

Para calificar si una columna fallará por esbeltez o por resistencia se debe determinar la relación de esbeltez definida en el párrafo anterior. Se sabe que las columnas esbeltas fallarán por pandeo antes que por resistencia, siendo esta una falla típica de elementos a compresión independientemente de la resistencia.

Se analiza el pilote como columna con base a la normatividad de ACI 318, en caso de ser

esbelto el pilote soportara principalmente cargas axiales de compresión. Sentido opuestoel elemento sería demasiado corto, tendría una falla sería por aplastamiento.

Lu = 29 -8 + 3.24 = 24.24 mts

Tipos de falla:Por esbeltez en columnas. Columnas con una relación de esbeltez, , alta, siendo r el radio de giro de la sección transversal.

El radio de giro se calcula por : y representa el sitio donde se concentra toda el área para hallar el momento de inercia

R = 762552 = 15.873025√

Para diseñar el pilote como elemento corto, es decir, omitir los efectos de esbeltez, se debe verificar que:

K Lu = (1) 2424 = 152.74 > 22 por lo tanto se deben considerar los15.87 efectos de esbeltez

Para todos los elementos sujetos a compresión cuyo valor sea k lu/ r > 100 debe hacerse un análisis estructural , es decir, no se aplica el método aproximado

Una vez obtenido el momento de diseño se procede a obtener el índice de refuerzo

q= 0.848 - 0.719 - M0.53 f’c b d√ 2

q= 0.848 - 0.719 - 39960000.53 (350)(55)(48)√ 2

q= 0.137

Por lo tanto el porcentaje de refuerzo será: p = q f’cfy

p = q (350) = 0.00894200

Los porcentajes de refuerzo del pilote debe tener un mínimo de 1% y un máximo de 4%

As req = (1%-4%) b d

As req = ( 0.0089 )(55)(48)= 23.55 cm2

Se propone 3 varillas ɸ 1 1/4“ por cara

As propuesto = 3 ( 7.94) = 23.82 cmpor cara de pilote

2

Suponiendo un refuerzo en las cuatro caras del pilote: d = 48 cmst = 55 cmsd/t =0.87

e= M = 39.96 = 0.26P 140/.9

e/t = 25.68 /55 = 0.47

f’’c = 1.05 - 350 350 1400

f’’c= 280 kg/cm

w = p fy = (0.0089) 4200 = 0.13f’’c 280

con base a w = 0.1 y e/t = 0.5

Se obtiene el valor de α =0.25

Por lo tanto la máxima carga axial del pilote será:

Nr = α b t f’’c

Nr= (0.25)(55)(55)(280) = 211,750 kg

Nr 211.8 tons > Pu =155.5 tons OK

Arreglo de pilotes de muelle

Configuración de Pilotes de Muelle 2

Configuración de Pilotes de Muelle 10

Vista tridimensional inferior del arreglo de pilotes que no chocan entre si

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Design and Construction of driven piles foundation, vol 1 & vol 2, FHWA

Design of Piles foundation, USACE

Foundation Analisys and Design , Bowles

Manual de Cimentaciones profundas, S.M.M.S.

Piles design and construction, Tomlinson

Principles of Foundation Engineering, M Das

PROCESO CONSTRUCTIVO E HINCA DEL PILOTE

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La cama de Colado consiste en la construcción de losa de concreto reforzado, que se construye sobre una plataforma nivelada, sin pendiente. El objeto de la cama de colado sirve como cimbra del lecho inferior de los pilotes. Las dimensiones dependen del dimensionamientode l pilote y del plan de estibas del contratista

Extrusionado mecánico del acero de refuerzo, de acuerdo a la normatividad del ACI 318-05, debe lograr el 125% del fy.

Habilitado del Armado en serie de los armados de pilotes

Cimbra metálica para pilotes de sección cuadrada (2003-2006) y de madera para los pilotes de sección octagonal (1994).

Optimización del empleo de la cimbra, mediante la varias estibas de la cama de colado. La secuencia de colado se puede observar en la foto inferior.

Cama de Colado de los muelles once (2003-2004) y muelle diez (2005-2006) en Manzanillo,Col.

Cama de Colado de los muelles once (2003-2004) y muelle diez (2005-2006) en Manzanillo,Col.

Colado con Concretos con cementos CPC 30 RS BRA, agregado máximo 19 mm, relación agua cemento a/c 0.5, inhibidor de corrosión orgánico rheocrete 222, super fluidificantepuzzolith N 360, f’c 350 kg/cm2 a los 28 días.

El objeto de proveer durabilidad al concreto ante el ataque de los sulfatos del agua marina es mediante un cemento Resistente a Sulfatos (RS). Por tal motivo la API Manzanillo especifica a los proveedores de concreto que el contenido de C3A, sea menor al 5% en el contenido de clinker. En México cementos RS BRA , solo es producido por Holcim Apasco (CPEG 30 RS BRA) y Cementos Moctezuma (CPP 30 RS BRA y CPC 30 RS BRA)

La corrosión es, principalmente, un fenómeno electroquímico. Una corriente de electrones se establece cuando existe una diferencia de potenciales entre un punto y otro. Cuando desde una especie química cede y migran electrones hacia otra especie, se dice que la especie que los emite se comporta como un anodo (+) y se da la oxidación, y aquella que los recibe se comporta como un catodo (-)

El concreto es altamente alcalino (pH rango 12-13), El acero adherido es protegido por una delgada capa de oxido, el cual mantiene una alta alcalinidad en la superficie del acero, bajo ciertas circunstancias de exposiciones y condiciones naturales la protección pasiva en el acero se cae, en presencia de humedad y oxigeno, tal como se presenta en la zona de splash en los pilotes, entonces la corrosión se da. Pilotes con rangos de pH menores a 9, es indicio que se esta dando el fenómeno de la corrosión.En los concretos con relaciones agua cemento baja 0.50, 0.45 y 0.41, se incrementa más la cantidad de cemento por metro cúbico, con ello se incrementa la alcalinidad del concreto. Por tal motivo la API Manzanillo especifica que sus concretos para estructuras marítimas cumplan con los parámetros de la normatividad de Baja Reactividad a los Agregados (BRA), cuya propiedad es disminuir los álcalis naturales del cemento.

En el proceso electroquímico, la corrosión del acero del concreto requiere de un electrolito. Un electrolito es una sustancia que al disolverse en agua, da lugar a la formación de iones y que permiten que la energía eléctrica pase a través de ellos. El concreto que esta lleno de pequeños poros que contienen humedad, funciona como un efectivo electrolito. Entonces se presenta el flujo eléctrico entre los ánodos y cátodos con actividad de corrosión, dando origen a la formación de oxido donde toman lugar en el anodo (+)

Existen diferentes sistemas de protección para la corrosión entre ellos aditivos inhibidores de corrosión, recubrimientos de poliureas para el acero de refuerzo, galvanización del acero de refuerzo, removedores electroquímicos de cloruros y protección catódica. Pero la solución mas económica y efectiva de acuerdo estudios es el empleo de los inhibidores

Sin embargo los inhibidores de corrosión influyen en la propiedades como la Resistencia a la compresión, modulo de elasticidad, permeabilidad del concreto, y la abilidad de reducir el ingresode los iones de cloruro al concreto y el pH.

La API Manzanillo solicita que las pruebas de evaluación del modulo de elasticidad y resistenciaa la compresión incluyen los aditivos especificados. Existe un de laUniversidad de Hawaii, quedemostra que el aditivo Rheocrete 222, con dosificaciones pequeñas de 5 lts/m3 tiene buencomportamiento e incrementa ligeramente el f´c, aparte de cumplir su función.

PROPERTIES OF CONCRETE PRODUCED WITH ADMIXTURES INTENDED TO INHIBIT

CORROSIONCraig M. Newtson University of Hawaii

Rheocrete 222+ es un aditivo de base orgánica inhibidor de corrosión, es una combinación de aminas, esteres en base agua. Cuando las varillas del acero de refuerzo entran en contacto con el inhibidor de corrosión, mediante una absorción física y química, forma capa protectora en la superficie del acero reduciendo la difusión de los cloruros hacia el acero de refuerzo. Esta capa actúa como una barrera física que retarda y previene reacciones electroquímicas que induzcan un proceso de corrosión en el acero.

Los concretos con cementos RS BRA Incrementa los valores de resistencia la resistencia a la compresión posterior a los 28 días hasta los 90 días.

El izaje de los pilotes induce solicitaciones adicionales al pilote

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REVISION ESTRUCTURAL POR IZAJE

Para el retiro de los pilotes de la cama de colado, transporte, carga a las barcazas, e izaje para el comienzo del proceso de la hinca, se realiza mediante de tres a cuatro puntos de izaje, denominados “cancamos”.

En la fotografía de la izquierda se observa el izajemediante el empleo de dos cancamos y tercer punto de izaje estrobado.

En la fotografía inferior izquierda se observa el empleo de los cuatro cancamos en el despegue de los pilotes de la cama de colado.

En la fotografía inferior derecha se observa las barras de refuerzo adicionales por izaje y los cancamos de izaje.

BARRAS DE REFUERZOS EN PUNTOS DE IZAJE

longitud de refuerzo por izaje: 0.032 L + 24 ɸ0.32 (29)+ 24 (0.032)= 1.689 = 1.70 mts /lado

Armado adicional por izaje: 2 VAR. ɸ 1” LONG. 3.40 MTS

1700 1700 mm

El objeto del chiflón es facilitar la penetración del pilote mediante el desplazamiento del suelo, con agua a presiones altas. La presión mínima circula sobre el orden de 5 kg/cm2 a más.

Al penetrar el pilote por chiflón, hace que se pierda la estructura del suelo, en pilotes cuya resistencia está basada en fricción no es recomendable. En pilotes que trabajan por punta, el chifloneo deberáser suspendido antes de la cota de diseño.

El daño hacia abajo del suelo por chifloneo es 2 a 3D, y en los lados es de 1.5 a 2D, por lo que se recomienda suspender el chiflon a una distancia de 6 a 7D de la cota de desplante, en suelo friccionante.

En el auxilio del empleo de chiflón se emplea chiflón externo, adición de aire a presión, cambio de la dirección del flujo del agua con la incorporación de la muesca.

En el extremo del pilote es común el empleo del regaton, su función es soportar los impactos en la penetración en el incrustamiento contra boleos, y tratar de evitar daños en el extremo del pilote.

El regatón puede ser un elemento H o un elemento tubular (punta “Oslo”).

La sección de H debe tener tamaño proporcional a la sección de concreto para evitar sobre esfuerzos y el suficientemente empotramiento para desarrollar la resistencia de flexión.

Grafica delmag en la selección de martinete

Un inadecuado selección del tipo de martinete puede ocasionar problemas, un martinete pequeño puede disipar la energía, y resulta insuficiente y en consecuencia no generaría la capacidad de carga a la cual fue diseñada el pilote. En sentido opuesto un martinete con mayor capacidad a la necesaria podrá dañar al pilote.

Existen varios métodos para determinar la capacidad de un martinete entre ellas fórmulas dinámicas, la SMMS recomienda no emplearlas, Por otro lado existen métodos semiempíricos. Existe una expresión en términos del peso del pilote:

energía > 3 N m por cada kg de pilote

Peso pilote = 0.55 (0.55) 29 (2400 kg/m3) = Peso pilote= 21,054 kg

energía > 3 (21,054) = 63 162 Nm

La técnica más confiable y empleada por los vendedores de equipos de hinca como PILECO, es mediante el análisis de la ecuación de la onda, mediante este análisis se determina el martinete más adecuado para obtener la capacidad de carga a la profundidad de diseño, asícomo los niveles de esfuerzo que se generan durante el hincado.

1. Elevar el pistón (accionamiento) Para hacer arrancar el martinete, se eleva la masa de golpeo (pistón) por medio de un dispositivo disparador. Al alcanzar una alturadeterminada la masa es soltada automáticamente.

2. Inyección of combustible diesel y compresión.. La masa de golpeo acciona al caer la palanca de una bomba que inyecta una cantidad determinada de combustible Diesel en la superficie de la pieza de golpeo. Apenas el pistón cubre las lumbreras de escape, comienza entonces a comprimir el aire en el cilindro.

3. Cámara de combustión/impacto. Cuando el pistón golpea contra la pieza de golpeo, el combustible Diesel es atomizado en el interior del cilindro. El aire sumamente comprimido inflama el combustible nebulizado. La energía ocasionada por la explosión envía el pistón hacia la parte superior del cilindro.4. Escape. Cuando el pistón ascienda, libera las lumbreras de escape, los gases de combustión salen al exterior y la presión en el interior de el cilindro se equilibra.

5. Barrido/Limpiar El pistón sigue ascendiendo y absorbe aire fresco a través de las lumbreras de escape para efectuar el barrido/limpieza de el cilindro y libera la palanca de la bomba de combustible. Esta retorna a su posición inicial, permitiendo la entrada de combustible en la bomba..

CURVAS DE NUMERO DE GOLPES DE HINCADO EN MUELLE DIEZ CON MARTINETE DELMAG 46

PRUEBAS DINAMICAS PARA LA DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE CARGA

Para determinar la capacidad de carga de los pilotes mediante pruebas dinámicas, se utilizó un Analizador de Hincado de Pilotes (Pile DrivingAnalyzer) modelo PAK. En la parte superior de la cabeza del pilote, se sujetaron en caras opuestas dos sensores de aceleración piezoeléctricos y dos sensores de deformación. El Analizador, con las señales captadas por los instrumentos, determinó la fuerza aplicada y la velocidad de desplazamiento de la cabeza del pilote, cuando la onda de esfuerzo, generada por el impacto del martillo, fue transmitida a lo largo del mismo.

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DINAMICAS PARA LA DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DE CARGA

Los resultados de las pruebas de capacidad de carga resultaron satisfactorias. Por otro lado, es de esperarse que la capacidad de carga a la fricción que se reporta para cada uno de los pilotes se vea incrementada con el tiempo, una vez que el suelo recupere las condiciones originales que fueron alteradas durante el hincado con la utilización del chiflón de agua a presión.

PILOTE DIAS

EJETRASNCURRIDO

S CAPACIDAD DE CARGA EN TONELADASFRICCION PUNTA TOTAL

4 A MAR 319 2 34 187 2215 A MAR 341 2 100 212 312

5 A TIERRA 339 2 26 154 1808 B SUR 346 91 80 190 270

8 B NORTE 409 92 51 151 2029 B NORTE 893 100 83 157 240

DEDICATORIA DE ESTE TRABAJO

ESPECIALMENTE A MI FAMILIA

A mis Ex catedráticos de la UdeC

M.C. Gerardo Cerrato

M.C. José L. García

Ing. Alfredo Mendoza

Ing. Froilán Flores

A mis catedráticos U.A.CH.

Dr. Cecilia Olague

M.C. José Torres Díaz

Mc. Samuel Young

A mis compañeros de

A.P.I. Manzanillo

Ing. Gerardo Villagómez

Ing. Gilberto Cruz

Ing. Arturo Fernández

A mi compañero de cálculo

Ing. Ricardo Morales, M.A.

Y en especial a cada uno de los que participo en la construcción de los muelles

10 y 11.