3 CONSIDERACIONES GENERALES -...

IMPLEMENTACIÓN INFORMÁTICA PARA EL CÁLCULO DE PILOTES DE HORMIGÓN “IN SITU” SEGÚN EL CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN

45

PEDRO PÉREZ CARBALLO, ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS DE SEVILLA MARZO DE 2010

3 CONSIDERACIONES GENERALES

El contenido fundamental de este documento, y los posicionamientos teóricos que

lleva implícitos, se basan en la normativa española vigente, en particular en el

Código Técnico de la Edificación (CTE). También se va a mencionar los aspectos

complementarios o los matices que otras normativas en uso disponen a este

respecto en España.

En la actualidad existen, otros dos textos normativos del Ministerio de Fomento que

también contemplan este tipo de cimentaciones:

• ROM 05 - 05 (Recomendaciones Geotécnicas para las Obras Marítimas, 2005).

• La Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (GCOC, 2003).

3.1 CRITERIOS GENERALES

Para los pilotes hormigonados in situ, objetivo de este documento, el CTE tiene en

cuenta las siguientes consideraciones:

• No se deben ejecutar pilotes aislados cuyo diámetro sea < 0’45 m

• En el caso en que 0’45 m < Diámetro ≤ 1.00 m, se podrán ejecutar pilotes

aislados siempre que se realice un arriostramiento en dos direcciones ortogonales

y se asegure la integridad del pilote en toda su longitud de acuerdo con los

métodos habituales de control.

• Cuando el diámetro sea > 1’00 m; se podrán realizar pilotes aislados sin

necesidad de arriostramiento siempre y cuando se asegure la integridad del pilote

en toda su longitud de acuerdo con los métodos de control recogidos en el propio

CTE y se arme para las excentricidades permitidas y momentos resultantes.


46


La excentricidad correspondiente deberá ser no solo la “teórica” que produce el

momento en la cabeza de los pilotes, si no también, y probablemente más

desfavorable, aquella que sea consecuencia de una excentricidad de obra,

motivada porque no se puede hacer coincidir, y garantizarlo a priori, que el eje del

pilote, que se construye antes, coincida exactamente con el eje del pilar que le

corresponde y que se construye después. Estas diferencias pueden llegar a ser

de varios centímetros en obras de edificación cuyo cuidado y control no sea el

habitual y llegando incluso a ser de unas pocas decenas de centímetros, en

ocasiones singulares.

En la siguiente figura (figura 22), tomada del CTE, se muestra un esquema típico de

un pilotaje, con los conceptos que se manejan.

Figura 22.Esquema de pilotaje.


47


3.1.1 CONTROL DE EJECUCIÓN DE PILOTES HORMIGONADOS IN SITU

Veamos a continuación, las recomendaciones que el CTE ofrece para el control

del pilotaje in situ.

a) La correcta ejecución del pilote, incluyendo la limpieza y en su caso el

tratamiento de la punta son factores fundamentales que afectan a su

comportamiento, y que deben tomarse en consideración para asegurar la validez

de los métodos de cálculo contemplados en el CTE-DB-C.

b) Los pilotes ejecutados “in situ” se controlarán durante la ejecución,

confeccionando un parte que contenga, al menos, los siguientes datos:

1. Datos del pilote (Identificación, tipo, diámetro, punto de replanteo, profundidad,

etc.);

2. Longitud de entubación (caso de ser entubado);

3. Valores de las cotas: del terreno, de la cabeza del pilote, de la armadura, de la

entubación, delos tubos sónicos, etc.

4. Tipos de terreno atravesados (comprobación con el terreno considerado

originalmente).

5. Niveles de agua.

6. Armaduras (tipos, longitudes, dimensiones, etc.).

7. Hormigones (tipo, características, etc.).

9. Tiempos (de perforación, de colocación de armaduras, de hormigonado).


48


10. Observaciones (cualquier incidencia durante las operaciones de perforación y

hormigonado).

c) Durante la ejecución se consideran adecuados los controles siguientes, según la

norma UNE-EN-1536:2000:

1. Control del replanteo.

2. Control de la excavación.

3. Control del lodo.

4. Control de las armaduras.

5. Control del hormigón.

d) En el control de vertido de hormigón, al comienzo del hormigonado, el tubo tremie

no podrá descansar sobre el fondo, sino que se debe elevar unos 20 cm para

permitir la salida del hormigón.

e) En los pilotes de barrena continua se consideran adecuados los controles

indicados en la tabla 12 de la norma UNE-EN 1536:2000. Cuando estos pilotes se

ejecuten con instrumentación, se controlarán en tiempo real los parámetros de

perforación y de hormigonado, permitiendo conocer y corregir instantáneamente

las posibles anomalías detectadas.

f) Se pueden diferenciar dos tipos de ensayos de control:

1. Ensayos de integridad a lo largo del pilote.

2. Ensayos de carga (estáticos o dinámicos).

g) Los ensayos de integridad tienen por objeto verificar la continuidad del fuste del

pilote y la resistencia mecánica del hormigón.


49


h) Pueden ser, según los casos, de los siguientes tres tipos:

1. Transparencia sónica.

2. Impedancia mecánica.

3. Sondeos mecánicos a lo largo del pilote.

Además, se podrá realizar un registro continuo de parámetros en pilotes de

barrena continua.

i) El número y la naturaleza de los ensayos se fijarán en el Pliego de condiciones

del proyecto y se establecerán antes del comienzo de los trabajos. El número de

ensayos no debe ser inferior a 1 por cada 20 pilotes, salvo en el caso de pilotes

aislados con diámetros entre 45 y 100 cm que no debe ser inferior a 2 por cada 20

pilotes. En pilotes aislados de diámetro superior a 100 cm no debe ser inferior a 5

por cada 20 pilotes.

3.2 ACCIONES A CONSIDERAR

Según el CTE, para cada situación de dimensionado habrá que considerar las

acciones que la propia estructura ejerce sobre la cimentación y las acciones

geotécnicas generadas a través del terreno en que esta se apoya. Es decir, además

de las acciones de la estructura sobre la cimentación se deben tener en cuenta que

este tipo de cimentación profunda, puede estar sometida a efectos “parásitos”

inducidos por acciones derivadas por el movimiento del propio terreno de

cimentación que lo acompaña.

El CTE, multiplica dichas acciones por unos coeficientes de seguridad y a su vez,

por unos coeficientes de simultaneidad. Dichos coeficientes se recogen en el CTE-

DB-SE.


50


Tipo de

verificación Tipo de acción

Situación persistente o transitoria

Desfavorable Favorable

Resistencia Permanente

Peso propio del

terreno 1’35 0’80

Empuje del terreno 1’35 0’70

Presión del Agua 1’20 0’90

Variable 1,50 0’00

Estabilidad Permanente

Peso propio, peso

del terreno 1,10 0’90

Empuje del terreno 1’35 0’80

Presión del agua 1’05 0’95

Variable 1’50 0’00

Tabla 2. Coeficientes de seguridad para las acciones γ.

En la tabla anterior (tabla 2), se recogen los coeficientes de seguridad típicos para el

cálculo estructural, sin embargo, para el caso de cimentaciones estos coeficientes

varían considerándose la unidad para las acciones permanentes y variables

desfavorables y cero para las acciones variables favorables, dejándose como en la

tabla anterior los coeficientes de las acciones variables desfavorables.

Podría parecer peligroso aceptar estos coeficientes de seguridad para el caso de las

cimentaciones dado el grado de incertidumbre de la resistencia del terreno. Esto es

porque el coeficiente de seguridad se introduce ahí, es decir, en la resistencia de

cálculo del terreno y no en las acciones. Así, se establece por ejemplo que el terreno

resistirá un 33% menos de su resistencia de cálculo a efectos de hundimiento.

3.2.1 ACCIONES DE LA ESTRUCTURA SOBRE LA CIMENTACIÓN

Para las situaciones persistentes y transitorias, se considerara el valor de cálculo

de los efectos de las acciones sobre la cimentación de acuerdo a la siguiente

expresión:

∑ γG, · G , γQ, · Q , ∑ γQ, · ψ , · Q ,


51


Donde:

Gk Son las acciones permanentes en su valor de característico.

Qk Son las acciones variables en su valor de característico.

γ Coeficiente de seguridad.

ψ Coeficiente de simultaneidad.

Asignando el valor unidad a todos los coeficientes de seguridad parciales para las

acciones permanentes y variables desfavorables y cero para las acciones variables

favorables. El valor de las acciones permanentes favorables quedará como en la

tabla 2.

Para las acciones extraordinarias, se considerará el valor de cálculo de los efectos

de las acciones sobre la cimentación de acuerdo a la siguiente expresión:

γG, · G , A γQ, · ψ , · Q , γQ, · ψ , · Q ,

Donde:

Ad Acción extraordinaria en su valor característico.



γ Coeficiente de seguridad.



52


Igualmente asignando el valor unidad a todos los coeficientes parciales para las

acciones permanentes y variables desfavorables y cero para las acciones variables

favorables. El valor de las acciones permanentes favorables quedará como en la

tabla 2.

En el caso en que la acción accidental mayor sea la sísmica, todas las acciones

variables concomitantes se tendrán en cuenta con su valor casi permanente, según

la expresión:

G , A ψ , · Q ,

Donde:

Ad Acción extraordinaria sísmica en su valor característico.




En la siguiente tabla tomada del CTE, podemos ver los valores asignados al

coeficiente de simultaneidad ψ en función del tipo de carga.

ψ0 ψ1 ψ2

Sobrecarga

superficial de uso

Zonas residenciales (Categoría A) 0’7 0’5 0’3

Zonas administrativas (Categoría B) 0’7 0’5 0’3

Zonas destinadas al público (Categoría C) 0’7 0’7 0’6

Zonas comerciales (Categoría D) 0’7 0’7 0’6

Zonas de tráfico y de aparcamiento de vehículos ligeros con un

peso total inferior a 30kN (Categoría E) 0’7 0’7 0’6

Cubiertas transitables (Categoría F) 0’7 0’7 0’7


53


Cubiertas accesibles únicamente para mantenimiento

(Categoría G) 0 0 0

Sobrecarga de

nieve

Para altitudes > 1000m 0’7 0’5 0’2

Para altitudes ≤ 1000m 0’5 0’2 0

Sobrecarga de

viento Viento 0’6 0’5 0

Efectos de

variaciones de

temperatura

Temperatura 0’6 0’5 0

Acciones del

terreno Acciones variables del terreno 0’7 0’7 0’7

Tabla 3. Coeficientes de simultaneidad para las acciones.

En el caso de grupo de pilotes, para cada combinación de las acciones que han de

soportar los cimientos se debe calcular el reparto de cargas entre cada uno de los

pilotes del grupo. En general, este reparto requerirá un proceso iterativo, pues los

coeficientes de reparto entre pilotes dependen de la naturaleza del terreno y de la

rigidez de los mismos y del encepado. Suele bastar con obtener la distribución de

cargas que se obtiene al suponer que los pilotes están articulados en cabeza y que

el encepado es infinitamente rígido. Véase a este respecto en la siguiente figura

(figura 23), tomada del CTE, de este tipo de análisis.

Figura 23. Esquema de la resultante de las acciones.


54


Resultante de las acciones:

Vertical = V Horizontal = Hx, Hy Momentos = Mx, My, Mz

Reparto entre pilotes:

Vertical:

NA∑A · V

A · x∑A · y

· MA · x∑A · x

· M

Horizontal:

HA∑A · H

A · y∑A · x y

· M

HA∑A · H

A · x∑A · x y

· M

Donde:

Ni Acción de cálculo vertical a considerar para un pilote individual.

Hx,i, Hy,i Acción de calculo horizontal a considerar para un pilote individual.

V Acción de cálculo vertical a considerar sobre la base de un encepado.

Hx ó y Acción de cálculo horizontal a considerar para la base de un

encepado.

Mz, My, Mx Acción de cálculo en forma de momento a considerar sobre la base

de un encepado.

A Área de un pilote.

x, y Distancias al sistema de referencia considerado.


55


Si hubiera distintos diámetros de pilotes en un mismo encepado, los valores de

cálculo se determinaran para cada uno de los diámetros que se usen.

3.2.2 ACCIONES GEOTÉCNICAS SOBRE LA CIMENTACIÓN QUE SE

GENERAN O TRANSMITEN A TRAVÉS DEL TERRENO

A efectos del CTE, habrá que considerar los valores representativos de las

siguientes acciones:

a) Acciones que actúan sobre el terreno y que por razones de proximidad afectan a

la cimentación.

b) Cargas y empujes del propio peso del terreno.

c) Acciones del agua existente en el terreno.

3.2.3 EFECTOS PARÁSITOS. ROZAMIENTO NEGATIVO

PLANTEAMIENTO

La situación de rozamiento negativo se produce cuando el asiento del terreno

circundante del pilote es mayor que el asiento de la cabeza del mismo. En esta

situación, el pilote soporta, además de la carga que le transmite la estructura, parte

del peso del terreno. Como consecuencia, el rozamiento negativo hace que la carga

total de compresión que el pilote ha de soportar aumente. Coloquialmente se dice

que el terreno “se cuelga” del pilote.

El CTE establece que se deberá estudiar el posible desarrollo de rozamiento

negativo cuando se dé alguna de las siguientes y posibles circunstancias:


56


a) Consolidación por su propio peso de rellenos o niveles de terreno de reciente

deposición.

b) Consolidación de niveles compresibles bajo sobrecargas superficiales.

c) Variaciones del nivel freático.

d) Humectación de niveles colapsables.

e) Asientos de materiales granulares inducidos por cargas dinámicas (vibraciones,

sismo).

f) Subsidencias inducidas por excavaciones o disolución de materiales profundos.

En general, es suficiente una pequeña diferencia de asientos para que se produzca

la situación de rozamiento negativo.

CÁLCULO

El rozamiento unitario negativo en el fuste se puede calcular con la expresión:

F , β · σ ′

Donde:

β Se puede aproximar a 0’25 en arcillas y limos blandos, a 0’1 en arenas flojas y

a 0’8 en arenas densas.

σ’vi Es la tensión efectiva en el punto del fuste considerado.

Cuando se trate de pilotes que atraviesen suelos blandos y que se alcance un

substrato rocoso, el rozamiento negativo se aplicará a toda la superficie del fuste


57


comprendida entre la cabeza del pilote y el techo de la roca. Es decir el valor de n de

la fórmula anterior se extiende para todos los suelos blandos que atraviesa el

pilotaje.

Cuando se trata de pilotes flotantes, la situación es más complicada y es necesario

calcular la profundidad por debajo de la cual no se produce el efecto del rozamiento

negativo. Para ello es necesario calcular las deformaciones relativas entre el suelo y

el pilote.

En estos casos se debe calcular este efecto de la siguiente manera (figura 24).

Figura 24. Profundidad de rozamiento nulo.

a) Calcular los asientos del subsuelo, para cada profundidad del terreno z, como si

no existiesen los pilotes, como consecuencia de la sobrecarga exterior. Será una

curva decreciente con la profundidad, pues el “espesor” del suelo que se

introduce en los cálculos disminuye con la profundidad.

b) Calcular, para cada profundidad z del pilote, el asiento que se produce por debajo

de ella, por efecto de la carga exterior, más el peso propio del pilote situado por

encima de esa profundidad, menos el efecto del rozamiento negativo hasta esa

profundidad. Será una curva creciente con la profundidad.


58


c) Obtener la profundidad a la cual se cruzan ambas curvas. Esa profundidad

permite obtener el punto por debajo del cual no se produce el rozamiento

negativo.

d) Para cada carga de servicio existe una profundidad en la cual actúa el rozamiento

negativo. Se suele estimar para una carga de servicio baja y después extrapolarlo

para cualquier situación.

3.2.4 EMPUJES HORIZONTALES CAUSADOS POR SOBRECARGAS

Los pilotes ejecutados en las proximidades de taludes o cargas en superficie

pueden estar sometidos a cargas horizontales provocadas por desplazamientos

horizontales del terreno.

Se trata de un fenómeno que no es fácil de calcular y que cuanto más crítico resulte

mayor debe ser el rigor, la complejidad y la precisión de los cálculos que se utilicen.

Se trata de un problema típico de interacción suelo terreno, en el cual, para su

análisis, es necesario considerar de manera acoplada los efectos tensionales y

deformacionales.

El cálculo de pilotes actuando como estabilizadores rígidos en un talud excede del

alcance de este documento. También es complejo el cálculo de pilotajes que se

encuentran en las inmediaciones de taludes.

Cuando se trate de pilotes que reciben los esfuerzos debidos a solicitaciones

importantes en la superficie del terreno, se puede acudir a la teoría de la elasticidad

para estimar las cargas horizontales que sufrirá, y calcular el pilotaje en

consecuencia.

El CTE considera que se puede prescindir de la consideración de los empujes

horizontales sobre los pilotes siempre que la máxima componente de estos empujes


59


sea inferior al 10% de la carga vertical compatible con ella. Cuando el empuje

excede de este valor, el CTE propone un método simplificado para su consideración.

3.3 ESTADOS LÍMITES

Las formas de fallo, (o estados límites últimos), de una cimentación profunda son

de muy diverso tipo y todos ellos deben ser objeto de análisis. Evidentemente el

alcance de este análisis en alguno de estos casos puede ser muy sencillo, muy

obvio y simple.

3.3.1 ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS

ESTABILIDAD GLOBAL

El conjunto de la estructura y su cimentación pilotada puede fallar mediante un

mecanismo de rotura aún más profundo que la propia cimentación o que, no siendo

tan profundo, pudiera cortar los pilotes por su fuste.

Para su análisis, en su caso, se utilizarán los procedimientos de cálculo habituales

para analizar problemas de estabilidad de taludes.

HUNDIMIENTO

Es el estado de rotura más clásico. La carga vertical sobre la cabeza del pilote

supera la resistencia del terreno y se producen asientos desproporcionados,

asociados con la plastificación (rotura) del terreno.

La carga de hundimiento se desarrollará en los próximos apartados.


60


La verificación de este estado límite se hará utilizando los coeficientes de seguridad

parciales de la siguiente tabla (tabla 4) tomada del CTE. Teniendo en cuenta dichos

valores, el valor de Rcd puede obtenerse, a partir de la carga de hundimiento, Rck

mediante:

RRγR

Situación de

dimensionado Tipo Materiales Acciones

γR γM γE γF

Persistente o

transitoria

Hundimiento

3’00(1) 1’00 1’00 1’00

Deslizamiento 1’50(2) 1’00 1’00 1’00

Vuelco Acciones estabilizadoras 1’00 1’00 0’90(3) 1’00

Acciones desestabilizadoras 1’00 1’00 1’80 1’00

Estabilidad global 1’00 1’80 1’00 1’00

Capacidad

estructural -(4) -(4) 1’60(5) 1’00

Pilotes Arrancamiento 3’50 1’00 1’00 1’00

Rotura horizontal 3’50 1’00 1’00 1’00

Pantallas

Estabilidad fondo de excavación 1’00 2’50(6) 1’00 1’00

Sifonamiento 1’00 2’00 1’00 1’00

Rotación

traslación

Equilibrio limite

1’00 1’00 0’60(7) 1’00

Modelo winkler 1’00 1’00 0’60(7) 1’00

Elementos finitos

1’00 1’50 1’00 1’00’

Extraordinaria

Hundimiento 2’00(8) 1’00 1’00 1’00

Deslizamiento 1’10(2) 1’00 1’00 1’00

vuelco acciones estabilizadoras 1’00 1’00 0’90 1’00

acciones desestabilizadoras 1’00 1’00 1’20 1’00

estabilidad global 1’00 1’20 1’00 1’00

capacidad

estructural

-(4) -(4) 1’00 1’00

Pilotes Arrancamiento 2’30 1’00 1’00 1’00

Rotura horizontal 2’30 1’00 1’00 1’00

Pantallas Rotación o

traslación

Equilibrio

limite - - - -

Modelo 1’00 1’00 0’80 1’00


61


winkler

Elementos

finitos 1’00 1’20 1’00 1’00

Tabla 4. Coeficientes de seguridad parciales γ.

(1) En pilotes se refiere a métodos basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas (largo plazo), para

métodos basados en fórmulas analíticas (corto plazo), métodos basados en pruebas de carga hasta rotura y

métodos basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de la hinca y contraste con pruebas de

carga, se podrá tomar 2’0.

(2) De aplicación en cimentaciones directas y muros.

(3) En cimentaciones directas, salvo justificación en contrario, no se considerará el empuje pasivo.

(4) Los correspondientes de los Documentos Básicos relativos a la seguridad estructural de los diferentes

materiales o la instrucción EHE-08.

(5) Aplicable a elementos de hormigón estructural cuyo nivel de ejecución es intenso o normal, según la

Instrucción EHE-08. En los casos en los que el nivel de control de ejecución sea reducido, el coeficiente γE debe

tomarse, para situaciones persistentes o transitorias, igual a 1’8.

(6) El coeficiente γM será igual a 2’0 si no existen edificios o servicios sensibles a los movimientos en las

proximidades de la pantalla.

(7) Afecta al empuje pasivo.

(8) En pilotes, se refiere a métodos basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas; para métodos basados

en pruebas de carga hasta rotura y métodos basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de

la hinca y contraste con pruebas de carga, se podrá tomar 1’5.

ROTURA POR ARRANQUE

Si las cargas de tracción exceden la resistencia al arranque, el pilote se

desconecta del terreno, rompiendo su continuidad y se produce el consiguiente fallo.

En este caso el peso propio actúa a favor y obviamente la punta del pilote no

colabora en la resistencia.


62


ROTURA HORIZONTAL DEL TERRENO BAJO CARGAS DEL PILOTE

Cuando las cargas horizontales aplicadas en los pilotes producen en el terreno

tensiones que éste no puede soportar, se producen deformaciones excesivas o

incluso, si el pilote es corto y suficientemente resistente como estructura, el vuelco

del mismo.

Este estado límite deberá comprobarse tan sólo en aquellos casos en los que la

máxima componente de los empujes horizontales sobre los pilotes sea mayor del

10% de la carga vertical compatible con ellos.

CAPACIDAD ESTRUCTURAL DEL PILOTE

Las cargas transmitidas a los pilotes en su cabeza inducen esfuerzos en los

mismos que pueden dañar su estructura. Se suele utilizar los criterios de verificación

de la capacidad estructural de los pilotes frente a los esfuerzos axiles, (tope

estructural), cortantes y momento flectores a lo largo de su eje. Se indican

posteriormente en este texto. Este puede, y suele, ser un aspecto crítico,

determinante. Es decir se suelen diseñar a “tope estructural” para aprovechar al

máximo la capacidad estructural de los pilotes.

3.3.2 ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO

Tanto en el proyecto de pilotes aislados como en el de grupos de pilotes, deberán

realizarse también comprobaciones relacionadas con los movimientos, que se van a

producir (asientos y desplazamientos transversales) en los que entra en juego no

sólo la resistencia del terreno sino también su deformabilidad.


63


3.3.3 OTRAS CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO Y EJECUCIÓN

Aparte del análisis de los estados límites citados en los apartados precedentes, se

tendrán en cuenta otros efectos generales y otras situaciones, que pueden afectar a

la capacidad portante o a la aptitud de servicio de la cimentación. Se enumeran a

continuación con el objeto de plantear las posibles amenazas que pueden

presentarse y que pueden provocar un comportamiento anómalo del pilotaje.

Entre los posibles problemas que pueden presentarse, se deberá efectuar una

consideración expresa previa y un análisis, en ocasiones muy simple, de los

siguientes fenómenos:

a) Desprendimientos sobre la cabeza del pilote recién construido, debidos a la

diferencia de cota entre el pilote terminado y la plataforma de trabajo, así como

desprendimientos o contaminaciones causadas por la limpieza de la plataforma,

especialmente en el caso de pilotes de hélice continua, en los que es necesaria la

limpieza previa de la cabeza para la introducción de la armadura.

b) Asientos por la mala limpieza del fondo de las excavaciones de los pilotes

perforados.

c) Ataques del medio ambiente al material del pilote con la consiguiente merma de

capacidad. Merece mención especial el efecto de la corrosión del acero en las

zonas batidas por la carrera de marea o por las oscilaciones del nivel freático.

d) Posible expansividad del terreno provocando el problema inverso al rozamiento

negativo, es decir causando el levantamiento de la cimentación.

e) Posible ataque químico del terreno o de las aguas a los pilotes.

f) Posible modificación local del régimen hidrogeológico por conexión de acuíferos

ubicados a distinta profundidad que podrían quedar conectados al ejecutar los

pilotes.


64


g) Posible contaminación medioambiental por la utilización de lodos o polímeros

durante la excavación de pilotes de hormigón “in situ”.

e) Estabilidad de los taludes de las excavaciones y plataformas realizadas para

construir el pilotaje.

f) Daños en cimientos y estructuras ocasionados por la hinca de pilotes.

g) Problemas de colapso en suelos que tengan una estructura metaestable.

h) Posibles efectos sísmicos y en particular la posible licuefacción del entorno y que

pudiera incluir al propio pilotaje.

i) Posible pérdida de capacidad portante por socavación de pilotajes.

3.3.4 RESISTENCIA DEL TERRENO FRENTE A ACCIONES HORIZONTALES

El cálculo de los pilotes frente a esfuerzos horizontales, tan sólo suele realizarse

en aquellos casos en los que la máxima componente de los empujes horizontales

sea superior al 10% de la carga vertical compatible con ella.

El coeficiente de seguridad a utilizar frente a este modo de rotura según el CTE se

adopta en función de los criterios recogidos en la tabla4 del presente texto.

En proyectos donde este aspecto resulte crítico para el dimensionamiento del

pilotaje, es recomendable realizar pruebas de carga que permitan una estimación

más exacta de la carga de rotura.

En el caso de utilizar pruebas de carga en la estimación de la carga horizontal de

rotura, se podrán reducir los coeficientes de seguridad en función de la importancia

de las pruebas. El coeficiente de seguridad no será, en cualquier caso, inferior al

70% de los valores recogidos en la tabla4.


65


Para estimar la resistencia del terreno frente a las acciones horizontales se distingue

entre:

a) El pilote individual

b) El efecto grupo

EL PILOTE INDIVIDUAL

La carga de rotura horizontal del terreno "Rhk" se puede estimar con el esquema

de cálculo que se indica en la siguiente figura (figura 25), tomada del CTE.

El punto donde se aplica la carga H es un punto de momento flector nulo que se

deberá decidir en función de cálculos estructurales.

Los casos particulares de c = 0 (terreno puramente granular) y de φ = 0 (terreno

puramente cohesivo) se recogen en las figuras 26 y 27 tomadas del CTE.

Figura 25. Fallo del terreno causado por una fuerza horizontal sobre pilote.


66


Datos del terreno γ, φ, c

Hipótesis admisible:

e z 9 · c 3 · γ · z ·1 sin1 sin · D

E s z · dzL

ΔRs L

Condiciones de equilibrio:

H E R

H · e L12 · ∆ E · dE

12 · ∆

Caso particular de desplazamiento rígido horizontal:

∆ 0

R 0

H s z · dzL


67


Figura 26.Carga de rotura horizontal del terreno (c=0).

1 Carga que actúa al nivel indicado.

2 ------------------- Hipótesis de traslación rígida del pilote (“e” negativo)

Donde:

γ’ Peso efectivo (sumergido en su caso) del terreno.

kp Coeficiente de empuje pasivo. Puede suponerse kp=1’8.

φ El ángulo de rozamiento interno.


68


Figura 27. Carga de rotura horizontal del terreno (φ=0).

1 Carga que actúa al nivel indicado.

2 ------------------- Hipótesis de traslación rígida del pilote (“e” negativo)

Donde:

Cu Resistencia al corte sin drenaje.

CONSIDERACIONES DEL EFECTO GRUPO

La resistencia frente a esfuerzos horizontales del terreno situado alrededor de un

grupo de pilotes es el menor valor de los dos siguientes:

a) La suma de las resistencias horizontales del terreno alrededor de cada pilote,

calculadas individualmente.


69


b) La resistencia horizontal del terreno correspondiente a un pilote equivalente cuyo

diámetro fuese la anchura del grupo y cuya profundidad fuese igual a la

profundidad media de los pilotes del grupo.

En los casos en los que este aspecto del proyecto resulte crítico, se deberán utilizar

procedimientos de cálculo detallados.

3.4 MOVIMIENTOS DE LA CIMENTACIÓN

3.4.1 ASIENTOS

Si el problema del asiento en los pilotes resulta ser un aspecto crítico del

proyecto, es conveniente la realización de pruebas de carga especialmente

diseñadas para la determinación de asientos a largo plazo, ya que esta es la única

manera precisa de conocer la relación carga-asiento. Para la realización de dicha

prueba se recomienda independizar la resistencia de punta de la del fuste del pilote.

En los casos en los que este aspecto no resulte crítico, los asientos se calcularán

tanto para el pilote aislado como teniendo en cuenta el efecto grupo, debiéndose

cumplir que los valores así estimados deben ser menores del asiento que provoca

que la estructura se encuentre fuera del límite de servicio.

ASIENTOS DEL PILOTE AISLADO

El asiento de un pilote vertical aislado sometido a una carga vertical de servicio en

su cabeza igual a la máxima recomendable por razones de hundimiento, es

aproximadamente el uno por ciento de su diámetro, más el acortamiento elástico del

pilote.

Según el CTE el asiento del pilote se calcula mediante la siguiente fórmula

aproximada:


70


sD

40Rl lAE · N

Donde:

si Asiento del pilote individual aislado.

D Diámetro del pilote (para formas no circulares se obtendrá un diámetro

equivalente)

N Acción de cálculo vertical sobre la cabeza del pilote.

Rck Carga de hundimiento

l1 Longitud del pilote fuera del terreno

l2 Longitud del pilote dentro del terreno

A Área de la sección transversal del pilote

E Modulo de elasticidad del pilote

α Parámetro variable según el tipo de transmisión de cargas al terreno, α=1 para

pilotes que trabajan principalmente por punta y α=0.5 para pilotes flotantes. Para

situaciones intermedias, se adoptará el siguiente valor de α:

1R 0′5Rf R

Rpk = Carga de hundimiento por punta

Rfk = Carga de hundimiento por fuste


71


CONSIDERACIÓN DEL EFECTO GRUPO

En los grupos de pilotes, y debido a la interferencia de las cargas, el asiento de

cada pilote puede ser mayor. Para tenerlo en cuenta, se suele hacer la siguiente

estimación:

Se supone que toda la carga del grupo está uniformemente repartida en un plano

situado a la profundidad "z" bajo la superficie del terreno.

z = α · l2

Con los significados de "α" y "l2" mencionados antes y con unas dimensiones

transversales B1 x L1 dadas por:

B B 1 α · l

L L 1 α · l

El cálculo del asiento debido a esta carga vertical repartida en profundidad se estima

de acuerdo con los procedimientos generales de cálculo de asientos de

cimentaciones superficiales.

MOVIMIENTOS HORIZONTALES: COEFICIENTES DE BALASTO

Si el movimiento horizontal de la cimentación pilotada resulta ser un aspecto

crítico del problema en estudio, es conveniente hacer pruebas de campo para

estimarlos, al igual que frente a los movimientos verticales.

Los movimientos horizontales que pongan fuera de servicio a la estructura que se

apoya sobre los pilotes deberán ser “claramente” mayores que los que se estiman

de la manera simplificada que se describe a continuación para:


72


a) Pilote aislado

b) Efecto grupo

PILOTE AISLADO

Para el cálculo de los movimientos horizontales del pilote se utiliza la teoría de la

“viga elástica” o del “coeficiente de balasto”, también denominado como coeficiente

de Winkler.

Aunque las soluciones "exactas" de este problema están bien resueltas mediante

ábacos y curvas, se suele admitir como suficientemente preciso utilizar la solución

aproximada que se esquematiza en la figura28. La parte del pilote que queda dentro

del terreno queda sustituida, a efectos del cálculo de esfuerzos y movimientos al

nivel del terreno, por una varilla rígida de longitud L, sujeta a su base mediante un

resorte vertical, otro horizontal y otro de giro.

La línea de terreno, a efectos de cálculo de movimientos horizontales o de esfuerzos

en el pilote, se fija con prudencia. Se desprecia la colaboración de zonas que sean

especialmente blandas o deformables en comparación con el terreno inmediato

inferior.

Para estimar la presión horizontal que se opone al movimiento del pilote a cierta

profundidad (ph) se utiliza la teoría del coeficiente de balasto. Según esta teoría el

valor de ph viene dado por la expresión:

p k · δ

Donde:

Ks Es el módulo de balasto horizontal del pilote.


73


δ Es el desplazamiento horizontal del pilote.

El módulo de balasto Ks tiene dimensiones de fuerza dividida por longitud al cubo, es

decir de peso específico. Se puede estimar por alguno de los procedimientos que se

citan a continuación:

a) Mediante pruebas de carga horizontal debidamente interpretadas.

b) Mediante información local debidamente contrastada.

c) En función del resultado de ensayos presiométricos o dilatométricos realizados en

sondeos.

d) Mediante correlaciones empíricas.

Cuando se utilizan los resultados de ensayos presiométricos se determina el módulo

de balasto horizontalmente mediante la siguiente formulación:

Figura 28. Barra equivalente para el cálculo de movimientos.


74


E Módulo de elasticidad del material que forma el pilote.

I Momento de inercia respecto de un eje de giro perpendicular al plano de

estudio.

A Área de la sección transversal del pilote.

T Longitud elástica del pilote.

l2 Longitud enterrada del pilote.

L Longitud de empotramiento equivalente.

Valores de los parámetros del pilote equivalente:

L 1 10 0 15 · LnlT · T 0 80 · T

K 0 68 0 20 · LnlT ·

E · IT

E · IT

K 0 30 0 20 · LnlT ·

E · IT 0 60 ·

E · IT

KV1

D40 · R

l α · lA · E

K α · ED


75


Donde:

Ep El módulo presiométrico.

D El diámetro del pilote ≥ 0’3.

α Un factor adimensional que depende del tipo de terreno y oscila entre 1’5 para

arcillas y 3 para suelos granulares.

Cuando se utilizan correlaciones empíricas para determinar el coeficiente de balasto

se distingue entre:

a) Arenas

En arenas se admite que el módulo de balasto depende no sólo de la profundidad

"z" sino también del diámetro del pilote, D según indica la siguiente expresión.

K n ·zD

El valor de la constante de proporcionalidad "nh" se toma de la siguiente tabla.

Compacidad de la arena situación respecto al nivel freático

Floja 2 1’2

Media 5 3

Compacta 10 6

Densa 20 12

Tabla 5. Valores de”nh” en MPa/m3.

En estos casos se adopta como “longitud elástica” del pilote T el valor

adimensional definido por la expresión:

T E·I /


76


Donde:

E módulo de elasticidad del pilote.

I momento de inercia de la sección transversal del pilote. Es igual a π · D4 /

64 en el caso de pilotes circulares de diámetro D.

b) Arcillas

En arcillas se supone que el módulo de balasto es proporcional a su resistencia al

corte sin drenaje, cu, e inversamente proporcional al diámetro del pilote, D, según

indica la expresión:

K 67 ·CD

En estos casos se adopta como “longitud elástica” del pilote T, el valor adimensional

definido por la expresión:

TEI

D · K

/

Siendo E, I, D, Ks los definidos anteriormente

EFECTO DE GRUPO

Para estimar el movimiento horizontal del grupo, en aquellos casos en los que no

resulte crítico, se considera cada pilote del grupo sustituido, en su parte enterrada,

por una varilla rígida virtual soportada por los resortes indicados anteriormente en la

figura 28, pero afectando a la longitud elástica estimada en la hipótesis de "pilote

aislado" por un coeficiente de mayoración “m”.

T (pilote dentro del grupo) = m·T(pilote aislado)


77


Para espaciamientos de pilotes superiores a 2’5D y para pilotes cuya longitud dentro

del terreno sea superior a 2’5T, y a falta de datos concretos mas fiables, se pueden

utilizar los siguientes valores de m.

A falta de datos más fiables, se recomienda utilizar los valores indicados en la

Figura29, tomada del CTE.

m 1 0 5 · DS

1 10 Primera fila

m 1 0 5 · DS

· 1 0 5 · DS

1 30 Filas siguientes

Donde:

D Diámetro del pilote.

S Separación entre ejes

Figura 29. Consideraciones de efecto de grupo en la rigidez transversal para el cálculo de movimientos

horizontales.

- Relaciones válidas para espaciamientos superiores a 2.5 D.

- Relaciones válidas para pilotes cuya longitud dentro del terreno sea superior a

2.5T.


78


3.5 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES

En el análisis de los estados límite últimos se tendrá en cuenta que las acciones en

el pilote pueden llegar a provocar el agotamiento de la capacidad estructural de su

sección resistente.

3.5.1 TOPE ESTRUCTURAL

El “tope estructural” es la solicitación unitaria axil de servicio máxima a la que se

puede cargar un pilote.

Una vez se disponga de cuál es el “tope estructural” se deberá revisar que, las

solicitaciones unitarias axiles sobre cada pilote, no superen este tope. Como tales

solicitaciones de servicio deberán compararse con los valores de los efectos de las

acciones, que corresponden a las acciones de la estructura sin mayorar.

El tope estructural depende de:

a) La sección transversal del pilote.

b) El tipo de material del pilote.

c) El procedimiento de ejecución.

d) El terreno.

Los valores del tope estructural se adoptan de acuerdo con lo establecido en la tabla

6 adjunta.


79


σ [MPa] suelo firme Roca

perforados(1)

Entubados 5 6

Lodos 4 5

En seco 4 5

Barrenados sin control de parámetros 3’5 -

Barrenados con control de parámetros 4 -

En presencia de agua (bajo NF) 3’5 -

(1)Con un control adecuado de la integridad, los pilotes perforados podrán ser utilizados con topes estructurales

un 25% mayores.

Tabla 6. Valores recomendados para el tope estructural de los pilotes en MPa.

3.5.2 CAPACIDAD ESTRUCTURAL DEL PILOTE

Se deberá comprobar que los valores de cálculo de los efectos de las acciones de

la estructura sobre cada pilote (momentos y esfuerzos cortantes) no superan el valor

de cálculo de su capacidad resistente.

En ausencia de otras recomendaciones más específicas y en los casos normales,

donde las acciones horizontales no sean dominantes, el cálculo de esfuerzos en los

pilotes se hace con el mismo modelo estructural que se ha descrito en el apartado

3.3.1 (ver figura 28) para el cálculo de movimientos. En este modelo, la cimentación

proporciona esfuerzos en la parte exenta (no enterrada) de los pilotes que pueden

considerarse suficientemente precisos.

Para obtener los esfuerzos en la parte enterrada de los pilotes, se acepta la solución

simplificada que se recoge en la figura 30, tomada del CTE.

Para poder usar el modelo estructural de la figura 30 se debe determinar

previamente los valores de cálculo de los efectos de las acciones de la estructura

sobre el pilote. Utilizando los coeficientes de seguridad parciales, γE, que se indican

en la tabla 4. A estos esfuerzos se les denomina Ho y Mo (cortante y momento

flector, respectivamente) en dicha figura.


80


El valor de la profundidad zo, en la figura 30 es función exclusiva de la longitud

enterrada del pilote, que se denomina “L” en dicha figura, y de la longitud elástica

“T”, que se define en el apartado 3.3.1 en función del producto de inercia de la

sección transversal del pilote (E·I) y de la deformabilidad del terreno.

El momento flector en la parte enterrada de la figura30 se puede evaluar

componiendo las partes debidas al esfuerzo de corte, Ho, parte superior de la figura,

y el debido al momento flector Mo en la cabeza del pilote, parte inferior de la figura.

El armado de los pilotes se hará de acuerdo con las reglas especificadas en la

normativa vigente (Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08) y Código Técnico

de la Edificación.

A efectos del cálculo a flexión, la resistencia característica a utilizar del hormigón no

será inferior a 18 MPa.


81


Figura 30. Atenuación de esfuerzos en la parte enterada de los pilotes.

3 CONSIDERACIONES GENERALES -...

Documents

Transcript of 3 CONSIDERACIONES GENERALES -...