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