dr alva hurtado - diseño de carga axial pilotes
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7/27/2019 Dr Alva Hurtado - Diseo de Carga Axial Pilotes
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Jorge E. Alva Hurtado
Nilton Guilln Chavz
DISEO Y VERIFICACION DE CARGA AXIAL EN PILOTES
CENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACIONESSISMICAS Y MITIGACION DE DESASTRES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFacultad de Ingeniera Civil
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7/27/2019 Dr Alva Hurtado - Diseo de Carga Axial Pilotes
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DISEO Y VERIFICACIN DE CARGADISEO Y VERIFICACIN DE CARGA
AXIAL EN PILOTESAXIAL EN PILOTES
INTRODUCCIN ANTECEDENTES
ESTUDIO GEOTCNICO DE CIMENTACIN PREDICCIN DE LA CARGA LTIMA
ENSAYO DE CARGA
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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INTRODUCCIONINTRODUCCION
- Se presenta los clculos de verificacin de la carga axial en lospilotes de los estribos este y oeste y pilar central de lacimentacin del puente Killman en Cochabamba, Bolivia.
- Se utilizaron los mtodos de prediccin de carga axial basadosen frmulas empricas, que emplean resultados de ensayos de
penetracin estndar.
- Se ejecutaron ensayos de carga en pilotes para determinar lacapacidad de carga y el asentamiento de los pilotes.
- Tambin se calcul la eficiencia del grupo de pilotes y se evaluel asentamiento individual y del grupo de pilotes.
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ANTECEDENTESANTECEDENTES
- En la cimentacin del puente Killman existan en los estribospilotes de concreto tipo Franki, con un dimetro de 0.45 m en elfuste, longitud de 10.70 m y dimetro no precisado. Son 19
pilotes, 5 verticales y el resto inclinados.
- En la cimentacin de la pila central existan pilotes de concreto
armado hincados, con una seccin cuadrada de 0.30 m ylongitud de 8.60 m. Son 39 pilotes en el cauce del ro.
- Las superestructura del puente no haba sido construida. Se
decidi evaluar las caractersticas del terreno y verificar la cargade los pilotes existentes.
- En base a lo anterior, se redise el puente con una estructurams ligera, compatible con las cargas y asentamientos de lospilotes y grupos de pilotes existentes.
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Fig. 1: Estructuras Originales del Puente Killman y Perfil EstratigrficoIntegrado (Cochabamba, Bolivia)
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ESTUDIO GEOTCNICO DE CIMENTACINESTUDIO GEOTCNICO DE CIMENTACIN
- Se ejecutaron 3 sondajes con ensayos de penetracin estndarcada 1.50 m hasta 20 m de profundidad.
- Se recuperaron muestras alteradas e inalteradas para realizarensayos estndar de clasificacin de suelos y ensayosespeciales de resistencia cortante y compresibilidad.
- Los sondajes se ejecutaron por el mtodo de lavado utilizandolodo bentontico, prctica comn en Cochabamba. El nivelfretico era superficial.
- La estratigrafa est formada por suelos finos. En el estribo esteexisten capas alternadas de suelos limosos y arcillas, mientrasque en la pila central y el estribo oeste el suelo es ms uniforme,
limoso de baja plasticidad. Los valores de N aumentan con laprofundidad hasta 20-25 golpes / pie a los 20 metros.
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Fig. 2: Perfiles Estratigrficos y Valores de N (Golpes/pie) en los Estribos y laPila Central de Puente Killman-Cochabamba
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Fig N 3: Ubicacin IN SITU de los Pilotes Tipo Franki (Estribo Este PuenteKillman, Cochabamba, Bolivia)
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PREDICCION DE LA CARGA ULTIMA
El programa FEPC est basado en la utilizacin de frmulasempricas para el clculo de la capacidad ltima de pilotesindividuales. Estas frmulas se aplican a tipos de suelosagrupados de acuerdo a la clasificacin propuesta por Aoki-Velloso (1975). P.P. Velloso (1982) establece correlaciones slo
para suelos de dos clases y Meyerhof (1976) slo se aplica asuelos no cohesivos y limos no plsticos. Los factores deseguridad los proporciona el usuario y se usan en todas lasfrmulas con excepcin de la de Decourt-Quaresma, donde el
FS es 1.3 para carga por friccin y 4.0 para carga por punta. Elprograma fue presentado originalmente por Bortolucci et al(1988) y modificado por Guilln (1993).
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Simplificaciones Adoptadas
Se adoptan en el programa las siguientes simplificaciones:
(1) El valor del ensayo SPT en el primer metro del sondaje
siempre se considera igual a cero : SPT (0) = 0.
(2) El valor de SPT se relaciona al metro inmediatamenteinferior, es decir SPT (1) corresponde a un intervalo entre 1.0
y 2.0 m. de profundidad del sondaje.
(3) En la transicin de estratos se adoptan los parmetros delestrato superior, si la transicin ocurre despus de 0.5 m.;
en caso contrario, los parmetros que se adoptan son delestrato inferior y el valor del SPT ser el que corresponde almetro subsiguiente. Con relacin a la ltima simplificacin,es importante un anlisis ms cuidadoso de los resultados
en los niveles de transicin y tambin evitar la introduccinde estratos menores que un metro de espesor.
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Parmetros Generales de Entrada de Datos
Los datos comunes de entrada para todos mtodos delprograma son: nmero de estrato, profundidad del sondaje,profundidad final de cada estrato, cdigo de suelo de cada
estrato (propuesto por Aoki-Velloso), peso especfico efectivode cada estrato, valores del ensayo SPT para cada metro y elfactor de seguridad, (no se aplica a la frmula de Decourt-Quaresma, la que fija 1.3 para carga lateral y 4.0 para cargapuntual).
Los factores de correlacin indicados en la Tabla A-1, son
definidos por el propio programa, en funcin al tipo de suelo.
Con relacin a las caractersticas del pilote se establecen lossiguientes datos: cota superficial del pilote, dimetro del fuste
(o dimensin del lado en el caso de una seccin cuadrada) y eldimetro de la base, en caso de un alargamiento de la misma.
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Tabla ATabla A--1: Factores1: Factores de CorrelacinCorrelacin
P.P. VELLOSO (*)
6.31.002501209.903.0330321Arcilla Limosa-
Arenosa
6.31.002501208.804.0220320Arcilla Limosa
6.31.002501208.402.8300312Arcilla Arenosa-
Limosa
6.31.002501208.402.4350310Arcilla Arenosa
6.31.0025012012.006.0200300Arcilla
10.01.004302007.503.0250231Limo Arenoso-
Arcilloso
10.01.004302007.823.4230230Limo Arcilloso
10.00.8743025012.602.8450213Limo Arenoso-
Arcilloso
10.00.8743025012.102.2550210Limo Arenoso
10.01.0043020012.003.0400200Limo
8.51.0050040014.002.8500132Arena Arcillosa-
Limosa
8.51.0050040018.003.0600130Arena Arcillosa
8.51.0050040016.802.4700123Arena Limosa-
Arcillosa
8.51.0050040016.002.0800120Arena Limosa
5.01.0060040014.001.41000100Arena
a(Kpa)
ba(KPa)
K(KPa)
Kl(KPa)
(%)
Kp(kPa)
CODIGOTIPO DESUELO
DECOURT-
QUARESMAAOKI-VELLOSO
* El parmetro b se asume igual a 1.00 para todos los suelos(*) el parmetro b se asume a 1.00 para todos los suelos.(*) el parmetro b se asume a 1.00 para todos los suelos.
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Los mtodo usados son los siguientes:
Mtodo de Aoki-Velloso
La entrada de datos para el clculo basado en el mtodo deAoki - Velloso se empieza a travs de los parmetros relativosal tipo de pilote F1, F2. Estos valores son proporcionados por
el usuario y se indican en la Tabla A-2
TIPO DE PILOTE F1 F2
FRANKI 2.50 5.0ACERO 1.75 3.5
CONCRETO 1.75 3.5
STRAUSS 1.70 3.0
PREMOLDEADO
80
(cm)D+1
2F1
EXCAVADO 3.00 6.0
Tabla A-2: Parmetros Relativos al Tipo de Pilote: Aoki-Velloso
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Los resultados son proporcionados desde 1.00 a 2.00 m. delongitud del pilote hasta la profundidad final del sondaje. Las
frmulas son las siguientes:
Donde:
Rl = resistencia lateralAl1 = rea lateral por metro lineal de piloteNi = SPT en el punto i
Kli =
i x Kl (factor de correlacin)CA = cota superficial del piloteL = penetracin del piloteRp = resistencia por punta
Ap = rea de la puntaKp = factor de correlacinN = SPT de la punta
l
)KxN(x2F
=R iiCA=i
l II1 A
1F
NxKxA=R
pppp
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Mtodo de Decourt-Quaresma
No existe entrada de datos especficos y los resultados sepresentan para longitudes del pilote desde 1.00 m. hasta laprofundidad final del sondaje. Las frmulas usadas son lassiguientes:
= SPT promedio a lo largo del fustep = permetro del piloteK = factor de correlacin
= SPT promedio en la longitud de 3.0 m. prximos a lapunta (1.0 m. encima de la punta, en la punta y 1.0m. debajo de la punta).
Donde:
1P+
1P-N
K xxA=R1P+
1P-pPN
1+
3xLxpx10=R
L
CAl
N
L
CA
N
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Mtodo de Pedro Paulo Velloso
Se empieza la entrada de datos con los valores de lambda ytheta, que son los factores relativos de carga del pilote y eltipo de pilote. Los valores propuestos son:
PILOTE EN TRACCION 0.7=
PILOTE EN COMPRESION 1.0=
PILOTE HINCADO 1.0=
PILOTE EXCAVADO 0.5=
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El valor de es menor que 0.2 y De es el dimetro efectivo delpilote. Los resultados se presentan desde una profundidad de "8De " hasta una profundidad de " 3.5De " por encima de la
profundidad final del sondaje. Las frmulas usadas son lassiguientes:
Rl = )Nxa(xxxA ib,
i
L
CA=i1l
,i
Rp =2
aN+aNxxA
ibi
D3.5P+
Pibi
P
D8P-p
e
e
El programa genera el valor de " " :
0.035
D0.016-1.016=
e*
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Donde:
= promedio de los productos Nb.a desde 8Depor encima de la punta del pilote hasta la
punta del pilote (b se adopta igual a 1).
= idem, desde la punta hasta 3.5 De por debajode la punta del pilote.
De = dimetro efectivo del fuste del pilote
aN ib
i
P
D8P- e
aN ibiD3.5P+
P
e
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Mtodo de Meyerhof
La entrada de datos comienza con los parmetros Mn y Nm,que son los factores relativos a la forma de ejecucin delpilote. El autor propone:
0.31EXCAVADO
1> 2HINCADO EN SUELOS
COHESIVOS
12HINCADO EN SUELOS
NO COHESIVOS
13PUNTA CONICA
16FRANKI
NmMnTIPO DE PILOTE
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Los resultados se presentan para longitudes de pilote de 1.0 m.hasta una profundidad de 2.0 m. por encima de la profundidadfinal del sondaje. Las frmulas usadas son las siguientes:
Donde:
Q = es el valor menor entre Q1 y Q2
Q1 =
Q2 = es el valor mayor entre Q3 y Q4
Q3 =
Q4 =
Rl = Nx
Ax
M i
L
CA=i1ln
Rp = QxAxN pm
NxTsx10DP+
1P+e
Dex
ZbxTS1P-
ZP- b
NPxDeTS
N
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con:
Ts = 40 KPa para suelos no cohesivos y
Ts = 30 KPa para suelos limosos no plsticos y por extensina todos los dems suelos
Zb = longitud del pilote limitada a 10 De
El mtodo de Meyerhof se presenta sin correccin de losvalores de SPT, en el ltimo caso se emplean las siguientesfrmulas:
Donde:
Nc = SPT corregido
= esfuerzo efectivo al inicio del metro considerado
Nc = N aPK100para P,,
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RESULTADOS DEL PROGRAMA FEPC
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98.6
Meyerhof (CC)*
109.1
Meyerhof (SC)*
84.8
Decourt-Quaresma
121.350.7Estribo Este
P.P. VellosoAoki-VellosoMtodo
Sondaje
Carga Ultima (toneladas)
39.543.748.533.920.3Carga Diseo (tons)
FS = 2.5
Tabla N 1: Resultados de Prediccin de la Carga Ultima de Pilotes PuenteKillman (Franki Artesanal ( = 0.45 m b = 0.60 m L = 10.7 m)
(SC) Sin correccin
(CC) Con correcin
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ENSAYO DE CARGAENSAYO DE CARGA
Generalidades
Formas y Tipos de Aplicacin de Carga
Procedimientos de Carga
Criterios de Carga de Falla
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GENERALIDADESGENERALIDADES
- Unica manera de saber si el pilote es capaz de soportar la carga
- Mide caractersticas de carga-deformacin
- Permite verificar el mtodo de diseo
- Predice asentamiento
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FORMAS Y TIPOS DE APLICACIN DE CARGAFORMAS Y TIPOS DE APLICACIN DE CARGA
- Carga aplicada contra marco de reaccin
Pilotes de anclaje
Anclaje enterrado
- Carga aplicada contra plataforma cargada
- Carga aplicada directamente
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Viga de Prueba
Plancha de acero
Gatahidrulica
Plancha de prueba
Vigareferencia
Micrmetro
Pilote de prueba Pilote de anclaje
a) Pilote simple
SISTEMA DE MARCO DE REACCIN PARA PILOTES DE ANCLAJESISTEMA DE MARCO DE REACCIN PARA PILOTES DE ANCLAJE
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Viga de prueba
Micrmetro Gata hidralica
Viga de
Pilotes de anclaje
Planchade prueba
referencia
b) Grupo de pilotes
Cabezal de
SISTEMA DE MARCO DE REACCIN PARA PILOTES DE ANCLAJESISTEMA DE MARCO DE REACCIN PARA PILOTES DE ANCLAJE
Viga de acero
concreto
de pilotes
Vigas de referencia
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PRUEBA DE CARGA CON ANCLAJESPRUEBA DE CARGA CON ANCLAJESENTERRADOSENTERRADOS
3.6
0
10
10
g
Micrmetros1.2
0
1.4
5
3.40
1.2
01.4
5
50
50
.60
3.60
.73 2.14
variable de10 a 20
.60
.90
.60 Vigas de referencia
Plancha
Micrmetros
Bloque de
concreto
Pilote de prueba
Esp
acio
Lib
re
CORTE A-A
ESC. 1:50
Esp
acio
ancla
do
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SISTEMA DE APLICACIN DE CARGA POR GATA HIDRULICA ACTUANDOSISTEMA DE APLICACIN DE CARGA POR GATA HIDRULICA ACTUANDOFRENTE A PLATAFORMA CARGADAFRENTE A PLATAFORMA CARGADA
Caja plataforma cargada
Plancha de
acero
Vigas de prueba
Gata
hidralica
MicrmetrosPlancha de
prueba
Viga de
referencia
Pilote de prueba
Diamantes de madera
Viga transversal
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SISTEMA DE APLICACIN DE CARGA DIRECTAMENTE AL PILOTE USANDO UNSISTEMA DE APLICACIN DE CARGA DIRECTAMENTE AL PILOTE USANDO UNAAPLATAFORMA CARGADAPLATAFORMA CARGADA
Viga transversal
Vigas de prueba
Pesos
Viga dereferencia
Plancha de
acero
Cuas
Durmientes
Pilote de prueba
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PROCEDIMIENTOS DE CARGA (ASTM DPROCEDIMIENTOS DE CARGA (ASTM D--1143)1143)
- Prueba de carga mantenida (ML)
Hasta 200% de carga de diseo
Incremento de 25% de carga de diseo
Mantener incremento de carga hasta 0.25 mm/hora
Remover carga despus de 12 horas en decrementos
- Razn de penetracin constante (CRP)
Suelo cohesivo 0.25 a 1.25 mm/mm.
Suelo granular 0.75 a 2.5 mm/mm.
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1. Limitando el asentamiento total
a) Absoluto: 1.0 pulgada (Holanda, Cdigo de New York)
b) Relativo: 10% de dimetro del pilote (Inglaterra)
2. Limitando el asentamiento plstico
0.25 pulg. (6.35 mm) (AASHTO)0.33 pulg. (8.40 mm) (Magnel)0.50 pulg. (12.7 mm) (Cdigo de Boston)
3. Limitando la relacin asentamiento plstico/asentamientoelstico a 1.5 (Christiani y Nielsen)
REGLAS PARA DETERMINAR LA CARGA DE RUPTURAREGLAS PARA DETERMINAR LA CARGA DE RUPTURA
Ref. Vesic, 1977
Incremento asentamiento elstico
Incremento asentamiento plstico(Szechy, 1961)4. Relacin mxima
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5. Limitando la relacin asentamiento/carga
a) Total: 0.01 pulg/ton (California, Chicago)b) Incremento: 0.03 pulg/ton (Ohio)
0.05 pulg/ton (Raymond Co.)
6. Limitando la relacin asentamiento plstico/carga
a) Total: 0.01 pulg/ton (Cdigo de New York)b) Incremento: 0.03 pulg/ton (Raymond Co.)
7. Relacin mxima
8. Curvatura mxima de la curva log W/log Q (DeBeer, 1967)
9. Postulado de Van der Veen (1953)
(Vesic, 1963)
Ref. Vesic, 1977
=maxQQ1W ln
Incremento asentamiento
Incremento de carga
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INTERPRETACION GRAFICA DEL ENSAYODE CARGA
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a) Mtodo de Davisson
La carga lmite propuesta es definida como la carga quecorresponde a un asentamiento que excede la compresin
elstica del pilote por un valor X dado por:
donde:
D = dimetro (mm)
X = en (mm)
El mtodo de Davisson se aplica a ensayos de velocidad de
penetracin constante, si se aplica a ensayos con cargamantenida, resulta conservador.
120
D+3.8=X
Fellenius (1980) recopil varios criterios de falla aplicables algrfico carga vs. asentamiento.
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b) Mtodo de Chin
Se admite que la curva carga-asentamiento cerca a la rotura
es hiperblica. En este mtodo el asentamiento es dividido
por su correspondiente carga y el grfico pasa a ser una
curva de asentamiento/carga vs. asentamiento. Los puntosobtenidos tienden a formar una recta y la inversa de la
pendiente es la carga de rotura. Este mtodo se aplica a
pruebas rpidas o lentas, ya que el tiempo de aplicacin delos estados de carga es constante.
c) Mtodo de DeBeer
La curva carga vs. asentamiento es llevada a un grfico
log-log. Para los valores de carga mayores, los puntos
tienden a caer en dos rectas y su interseccin es la cargade rotura.
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e) Mtodo de Fuller y Hoy
De acuerdo a este criterio, la carga de rotura es aquella que
corresponde al punto en la curva carga-asentamientotangente a una recta de inclinacin 0.05 in/ton.
d) Criterio de 90% de Brinch-Hansen
La carga de rotura ser aquella cuyo asentamiento es el
doble del asentamiento medido para una carga que
corresponde al 90% de la carga de rotura.
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f) Mtodo de Butler y Hoy
La carga de rotura es definida como aquella
correspondiente al punto de interseccin de dos rectastangentes, la primera corresponde a la tangente a la
curva y que tenga una inclinacin de 0.05 in/ton. y la
segunda recta tangente es aquella paralela a la lnea decompresin elstica del pilote y tangente a la curva.
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EVALUACIN DE ENSAYOS DE CARGA: a) Mtodo deEVALUACIN DE ENSAYOS DE CARGA: a) Mtodo de DavissonDavisson b) Mtodo deb) Mtodo deChinChin c) Mtodo dec) Mtodo de DeBeerDeBeer d) Mtodo ded) Mtodo de HansenHansen al 90%.al 90%.
0 1 2 3
Qva = (AE/L)
Deformacin, pulg.
(a)
1 pulg = 25.4 mm
1 ton = 8.9 kN
Deformacin, pulg. (b)
x = 0.15 + D/120
1
Qv)ult
/Qva = C1 C2
(Qv)ult = 1/ C1
Qva ((Qv)ult ) / ( + (Qv)ult C2)
1 pulg = 25.4 mm
1 ton = 8.9 kN
Carga,
ton
s
100
200
0
(Qv)ult
C
BA
x
0.008
0.006
0.004
0.002
0.000
/Qvapulg/tons
0 1 2 3
Carga,
tons
1000
100
10
0.01 0.10 1.00 10.00
Deformacin, pulg.
(c)
1 pulg = 25.4 mm
1 ton = 8.9 kN
(Qv)ult
5
1 pulg = 25.4 mm
1 ton = 8.9 kN
50% x u u
90% x (Qv)ult
(Qv)ult
0 1 2
200
100
Deformacin, pulg.
(d)
0
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EVALUACIN DE ENSAYOS DE CARGA: a) Mtodo deEVALUACIN DE ENSAYOS DE CARGA: a) Mtodo de HansenHansen al 80% b)al 80% b)Mtodo deMtodo de MazurkiewiczMazurkiewicz c) Mtodo dec) Mtodo de FullerFullery Hoy yy Hoy y ButlerButlery Hoyy Hoyd) Mtodo ded) Mtodo de VanderVanderVeenVeen
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RESULTADO DEL ENSAYO DE CARGA(PILOTE TIPO FRANKI ESTRIBO ESTE-
PUENTE KILLMAN, COCHABAMBA-BOLIVIA)
Carga (Tm)
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INTERPRETACION DEL ENSAYO DECARGA (PILOTE TIPO FRANKI ESTRIBOESTE-PUENTE KILLMAN, COCHABAMBA-
BOLIVIA)
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7875.560.960Estribo Este
Vesic ( = 1)Fuller y HoyButler y HoyDavissonMtodoPilote
Carga Ultima (toneladas)
3937.830.530
Carga Diseo (tons)
FS = 2.0
Tabla N 2 Resultados de Interpretacin de Ensayo de Carga en Pilote Puente
Killman (Franki Artesanal ( = 0.45 m b = 0.60 m L =10.7 m)
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESCONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1) Se ejecut un ensayo SPT al costado del grupo depilotes del estribo este.
2) El mtodo Aoki-Velloso predijo la carga ltima mas baja. Elpilote se dise con una carga de 30 tons.
3) Se orden la ejecucin de un ensayo de carga en el estriboeste para verificar la carga ltima.
4) La carga de diseo en base al ensayo de carga (FS = 2.0) fuesuperior a 30 tons.
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7/27/2019 Dr Alva Hurtado - Diseo de Carga Axial Pilotes
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5) El mtodo de Davisson es similar al de Butler y Hoy,
producen resultados inferiores a los mtodos de Fuller yHoy y Vesic.
6) El factor de eficiencia de grupo es de 1.0.
7) El asentamiento del grupo es inferior a 1 pulgada.