Manual de pilotes metálicos

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La línea de perfiles
más completa de México
MANUAL DE
PILOTES METÁLICOS
Esta es la 3ra edición del Manual de Pilotes Metálicos, de la
Colección del Uso del Acero de Gerdau Açominas. La 1ra
edición es de 2006 cuando el cuerpo técnico de la empresa
introdujo en el mercado brasileño el concepto de “Pilotes
Metálicos de Sección Transversal Decreciente con la
Profundidad”. Ese concepto ha proporcionado una solución
técnica más económica para las cimentaciones profundas,
principalmente para regiones donde el suelo se presenta con
gruesas capas de arcillas blandas intercaladas por estratos
de arenas finas siltosas medianamente compactas a muy
compactas.
Dando seguimiento a las investigaciones técnicas a través de
estos años, Gerdau Açominas continuó invirtiendo en nuevos
ensayos de carga estática y, también, en ensayos de carga
dinámica, con el propósito de entender mejor el
comportamiento carga-descarga de esos pilotes en
particular, a lo que se refiere a la transferencia de carga por
fricción y por la punta de las mismas.
Adaptado por:
Consultoria:
Urbano Algionso Consultoria e
Projetos Ltda.
Realización:
Equipo Técnico Gerdau Açominas
Fabio D. Pannoni
Fernando Ottoboni Pinho
Ronaldo do Carmo Soares
Elaboración:
Carlos Cházaro Rosario
Octavio Alvarez Valadez
Coordinación Técnica:
Octavio Alvarez Valadez
Diseño Gráfico:
Valeria Giselle Uribe Pérez
Esas pruebas de carga, hoy en número superior a 50, forman
parte de un banco de datos que está a la disposición de los
profesionales interesados en estudiar este tipo de pilotes,
poniéndose en contacto con el equipo técnico de Gerdau
Açominas
por
el
e-mail:
[email protected].
Conjuntamente con los ensayos de carga estática, también
se realizaron instrumentaciones con “strain gages” que han
resultado en ahorros importantes y nos mostraron cómo se
procede a la transferencia de carga, no solamente por
fricción, también principalmente por la punta del pilote.
Mostrando, además, que cuando la punta se sitúa en suelos
poco resistentes no vale la propuesta de los actuales
métodos brasileños de considerar como área de la punta
aquella correspondiente al área envolvente de la sección del
perfil. Esto solamente es aplicable en el caso en el que la
punta del pilote alcanza suelo de alta resistencia o
sedimentos de roca.
Nomenclatura
Designación
ÍNDICE
Nomenclatura
1.- Introducción
2.- Aplicaciones y características de los pilotes mixtos
3.- Corrosión
4.- Dimensionamiento estructural
4.1.- Pandeo
4.2.- Capacidad de carga estructural
5.- Capacidad de carga geotécnica
6.- Concepto de “Pilotes metálicos de sección
transversal decreciente con la profundidad”
7.- Detalles de la empalmes de los perfiles
8.- Unión de los perfiles al encepado
1º Caso - pilotes comprimidos
2º Caso - pilotes de tracción
9.- Controles de la capacidad de carga
9.1 - Durante el proceso de hincado
9.2 - Pruebas de carga estática
9.3 - Pruebas de carga instrumental
10.- Encepados
11.- Referencia bibliográfica
Pág. 2
Pág. 4
Pág. 5
Pág. 7
Pág. 10
Pág. 10
Pág. 12
Pág. 14
Pág. 16
Pág. 18
Pág. 20
Pág. 20
Pág. 21
Pág. 22
Pág. 22
Pág. 26
Pág. 27
Pág. 30
Pág. 35
bf
c
d
e
Fu
fy
h
rx
ry
rl
rp
s
tf
tw
A
Ap
As
A's
C2
C3
E
G
Ix
Iy
Lfl
K
P
PL
PP
PR
Sx
Sy
β
γ
γf
γp
ηh
λ
υ
Unidad
de medida
Descripción
Ancho del Patín
Velocidad de propagación de la onda en pilotes
Altura de la sección transversal del perfil
Distancia entre ejes de pilotes
Límite de resistencia del acero
Límite de fluencia del acero
Altura de bloque
Radio de giro en el eje X-X
Radio de giro en el eje Y-Y
Adhesión media suelo-pilote, en la ruptura
Resistencia unitaria (a la ruptura) del suelo abajo de la punta del pilote
Rechazo del pilote
Espesor del ala (Patín) del perfil
Espesor del alma del perfil
Área del rectángulo envolvente a la sección transversal del pilote
Porcentaje del área A a considerar en la capacidad de carga del pilote
Área de la sección transversal del perfil
Área útil de la sección transversal del perfil (deducida la corrosión)
Deformación elástica del fuste del pilote
Desplazamiento elástico del suelo debajo de la punta del pilote
Módulo de elasticidad del material del pilote
Módulo de elasticidad transversal del material del pilote
Momento de inercia en el eje X-X de la sección transversal del pilote
Momento de inercia en el eje Y-Y de la sección transversal del pilote
Longitud de Pandeo
Repique
Carga estructural admisible del pilote
Carga de ruptura por fricción lateral a lo largo del fuste del pilote
Carga de ruptura del suelo bajo la punta del pilote
Carga de ruptura del suelo que da soporte a un pilote
Módulo resistente en el eje X-X de la sección transversal del pilote
Módulo resistente en el eje Y-Y de la sección transversal del pilote
Coeficiente de dilatación térmica lineal
Peso específico
Coeficiente de ponderación de las resistencias
Coeficiente de ponderación de las acciones
Constante del coeficiente de reacción horizontal
Relación de esbeltez
Coeficiente de Poisson del material del pilote
L = longitud (mm, cm, m)
L
LT-2
L
L
F.L-2
F.L-2
L
L
L
F.L2
F.L2
L
L
L
L2
L2
L2
L2
L
L
F.L-2
F.L-2
L4
L4
L
L
F
F
F
F
L3
L3
/°C
F.L-3
F.L-3
-
F = fuerza (N, kN, kg, ton)
Pág.2
Tabla 1: Características del acero ASTM A 992
tf
k
Y
g1
d
X
X
tw
Y
g
bf
Límite de fluencia (fy)
Límite de resistencia (fu)
Módulo de elasticidad (E)
Coeficiente de Poisson (υa)
Módulo de elasticidad transversal (G)
Coeficiente de dilatación térmica lineal (β)
Peso específico (γ)
Pág.3
345 MPa = 3.5 ton/cm2
450 MPa = 4.5 ton/cm2
200,000 MPa = 2.039 ton/cm2
0.3
77,200 MPa = 787 ton/cm2
1.2x10-5 /°C
77kN/m3 = 7.85 ton/m
1. INTRODUCCIÓN
Hasta 2002 los pilotes metálicos se utilizaban en Brasil
principalmente en las estructuras de contención (perfiles
metálicos asociados a planchas de madera o prefabricadas de
concreto) y en los pilares de borde, con el objetivo de eliminar las
vigas de equilibrio. También en el caso que se querían reducir las
vibraciones consecuentes del hincado de pilotes de
desplazamiento (pilotes premoldeados de concreto, pilotes del tipo
Franki, pilotes tubulares, etc.), los pilotes metálicos siempre fueron
considerados como solución de alta eficiencia. Lo mismo se
puede decir cuando es necesario atravesar capas de pedruscos o
concreciones (laterita, limonita, etc.).
Con el creciente uso de perfiles del tipo WF (IR) (los Perfiles
Gerdau Açominas comenzaron a ser producidos en Brasil en
2002), ese escenario pasó a ser gradualmente transformado y
hoy, los pilotes metálicos para cimentaciones profundas ya son
una realidad, compitiendo técnica y económicamente con los
demás tipos de elementos para cimentaciones. Esto se debe al
hecho de que los Perfiles WF (IR), son producidos en acero de alta
resistencia (ASTM A 992/AISC A 572 G 50) y con alas
paralelas que facilitan uniones. Además de esas características
fue la amplia variedad de medidas ofrecidas por Gerdau Açominas
para Perfiles de una misma familia (aquéllos cuyas medidas son
de misma altura nominal, con variaciones en el espesor de alma y
patines) que permitió el desarrollo de los Pilotes Metálicos de
Sección Transversal Decreciente con la Profundidad. O sea, con
base en las características de los Perfiles WF, es posible proyectar
pilotes metálicos compuestos con Perfiles de un mismo grupo,
con sección transversal variable en función de la profundidad. El
concepto es relativamente simple y establece que la sección
transversal puede ser reducida con la profundidad en función de la
carga resultante en el pilote, que va disminuyendo en razón de la
transferencia de carga para el suelo, por fricción lateral. Esa
solución, que ofrece una significativa reducción en el peso medio
de los pilotes, se presenta como alternativa técnico-económica
para las cimentaciones profundas, donde tradicionalmente se
utilizan pilares, estacas raíz, estacas premoldeadas de concreto
con empates soldados y rieles (usados y nuevos).
El concepto de cimentaciones con pilotes metálicos de sección
transversal decreciente con la profundidad es especialmente
abordado en el capítulo 6.
Cálculos, prácticas y ensayos descritos en este manual se refieren
en su mayoría a la NBR 6122/1996 de la ABNT (Asociación
Brasileira de Normas Técnicas), ya que en México, sólo existen las
NTC y el Título VIII del RCDF.
Pág.4
2. APLICACIONES Y CARACTERÍSTICAS
DE LOS PILOTES METÁLICOS
2.1 Aplicaciones
Como elementos de cimentaciones, los pilotes
metálicos tienen una importante aplicación en la
construcción industrial, en edificios de múltiples pisos,
puentes y viaductos, puertos y torres de transmisión.
Las estructuras de contención tienen un papel
preponderante en función de la facilidad de hincado, de
su alta resistencia y de la versatilidad de integración
con elementos constructivos complementarios.
2.2 Ventajas
Son muchas las razones para su utilización, con
ventajas sobre otros tipos, entre las cuales resaltamos:
• Bajo nivel de vibración durante el hincado, tanto con
martillos de libre caída como con los martillos
hidráulicos;
• Posibilidad de hincado en suelos de difícil penetración
como, por ejemplo, arcillas rígidas a duras, pedruscos y
concreciones (laterita, limonita, etc.) sin el inconveniente
del “arrancamiento” de pilotes vecinos existentes ya
clavados (como ocurre, por ejemplo, en el caso de los
pilotes premoldeados de concreto y franki) y sin
pérdidas de pilotes “rotos” que afectan no solo las
cimentaciones como también los encepados que
deberán ser redimensionados (aspectos de costo y
plazo);
• Resistencia a esfuerzos elevados de tracción (del
orden de grandeza de la carga de compresión, excepto
cuando los pilotes se apoyan en roca) y de flexión
(razón de su gran utilización en las estructuras de
contención);
• Posibilidad de tratamiento a base de pintura especial,
con la finalidad de reducir el efecto de la “fricción
negativa”;
• Facilidad de corte y empalmes a modo de reducir
“pérdidas” consecuentes de la variación de la cota de
apoyo del estrato fuerte, principalmente en suelos
residuales jóvenes.
2.3 Pilotes Mixtos
Cuando son usados como complemento de otro tipo de
pilotes (por ejemplo, premoldeado de
Pág.5
concreto con anillo metálico), los denominados
pilotes mixtos pueden resolver varios problemas de
cimentaciones profundas, según se muestra en las
Fotos 1 y 2.En el primer caso (Foto 1) el tramo
metálico tiene como finalidad permitir el hincado de
una longitud significativa del pilote en suelos
compactos arenosos o arcillas rígidas a duras,
sin los inconvenientes del “arrancamiento”
arriba mencionado, o atravesar pedruscos
y concreciones.
Su aplicación más significativa ocurre en obras
marítimas (muelles) donde es común la existencia de
esas capas fuertes, pero el pilote es proyectado con un
largo prefijado (por ejemplo, consecuente de un
dragado futuro) para resistir a esfuerzos elevados
de tracción. El hincado de pilotes de concreto, en
este caso, puede tornarse inviable, en razón de
quiebras para alcanzar la profundidad definida por
el proyectista. Así, el pilote mixto tendrá un tramo
en concreto armado (región en contacto con el agua),
y un trecho metálico (región de suelo), con largo tal que
permita atravesar esas dificultades de resistencia del
suelo alcanzando el largo definido en proyecto, y
manteniendo la integridad estructural para resistir a
las cargas de compresión y tracción que le son
impuestas. Una vista general de una de esas obras es
mostrada en la foto 3.
En el segundo caso (Foto 2) el segmento metálico tiene
por finalidad permitir que el pilote mixto pueda ser
hincado hasta alcanzar un estrato rocoso, sin que
haya riesgo de quiebra de la punta del pilote de
concreto, visto que, casi en la totalidad de los casos en
los que se encuentre roca, ésta se encuentra inclinada,
imponiendo a la punta del pilote, tensiones no
uniformes, durante el hincado. Estas tensiones
dinámicas del hincado no pueden ser resistidas por el
concreto, sino por la punta metálica. El acero es un
material más dúctil y, por deformaciones diferenciales
redistribuye esas tensiones de contacto y las
transmite de modo más uniforme para la sección de
concreto.
1
Pilotes Mixtos
(Concreto-perfil de Acero)
para atravesar suelos fuertes
sin riesgo de arrancamiento
de pilotes ya enterrados.
También se utilizan en
obras marítimas.
2
Pilotes Mixtos
(Concreto-perfil de Acero)
para apoyo en roca.
3
Vista general
de la obra.
Pág.6
3. CORROSIÓN
Los Pilotes de acero son utilizados en todo el mundo
desde hace más de 120 años y su durabilidad ha
excedido
todas
las
expectativas
teóricas,
especialmente en suelos muy agresivos o
contaminados por productos químicos. No hay caso
relatado en la literatura internacional de reducción de la
capacidad estructural causada por la corrosión de
pilotes de acero.
4
Pilote de Acero del
Puente Wandenkolk
removido después
de más de 20 años de uso.
La vasta literatura disponible ha indicado que los
suelos naturales son tan deficientes en oxígeno que
el acero no es apreciablemente afectado por la
corrosión, independientemente del tipo de suelo o de
sus propiedades.
El proceso de corrosión de un pilote enterrado en
suelos cuyo pH esté situado entre 4 y 10, es decir, casi
que la totalidad de los suelos naturales encontrados, es
fundamentalmente dependiente de la presencia
simultánea de agua y oxígeno. En la ausencia de una
de esas substancias, la corrosión no ocurre.
El primer metro y medio de suelo presenta cierta
oxigenación; abajo de eso, la concentración de
oxígeno decrece rápidamente con la profundidad, y su
reposición es extremadamente difícil. La difusión de
gases en medios porosos conteniendo agua, es un
proceso muy lento. Un pilote recién hincado en el suelo
consume todo ese oxígeno disponible a su rededor
durante el proceso de corrosión, agotándolo. Para que
el proceso tenga continuidad, más oxígeno debe llegar
al sitio de reacción, lo que no sucede con facilidad. Ese
es el motivo por el cual los resultados experimentales
disponibles han revelado la gran resistencia del acero
frente a la corrosión, independientemente del tipo de
suelo o de sus propiedades. Otras propiedades de los
suelos, tales como, drenaje, resistividad eléctrica, o
composición química no son de gran valía en la
determinación de su corrosividad.
El artículo técnico “Durabilidad de Pilotes Metálicas
Enterrados en el Suelo", de autoría de Pannoni,
demuestra que el texto de la actual NBR 6122/1996
de la ABNT (Norma Brasileña), que prescribe un
descuento de 1.5 mm de la superficie del perfil en
contacto con el suelo, trae exigencias superiores a
otras Normas y Códigos internacionales. Como esa
Norma está vigente todavía, para todos los efectos,
este manual seguirá su línea actual de exigencia.
Pág.7
La Foto 4 muestra un pilote de Acero que sirvió como cimentación por más de 20 años, del puente de la Calle
Wandenkolk, sobre el río Tamanduateí, en São Paulo. Ese pilote fue removido, juntamente con todos los demás pilotes
de las cimentaciones del puente, cuando de la rectificación, alargamiento y hundimiento de la ribera de ese río. La
sección de separación entre el tramo enterrado del pilote y el inmerso en el concreto del encuentro del puente
(coronamiento) está indicada, en esa foto, por la flecha.También en el libro de Cimentaciones de los Profesores
Dirceu Velloso y Francisco Lopes (COPPE-UFRJ - vol. 2) hay el relato de que el análisis de pilotes metálicos
utilizados como cimentacíon de edificios en Rio de Janeiro, junto a la “Lagoa Rodrigo de Freitas” y retiradas
con 10 a 20 años de uso, no presentaban señales de corrosión.
Pág.8
4. DIMENSIONAMIENTO ESTRUCTURAL
4.1 Pandeo
En
pilotes
comprimidos
que
permanecen totalmente enterrados,
normalmente no ocurre pandeo. Por
esa razón, la NBR 6122/1996 sólo
exige la verificación del pandeo cuando
los pilotes tengan su cota de enrase
arriba del nivel del terreno,
considerando la eventual erosión (en el
caso de pilotes donde ocurre el flujo de
agua), o atraviesen suelos blandos
(capítulo 7.9.4 de la Norma).
La medida del Perfil IR (de Gerdau Corsa) que tiene el menor
radio de giro es:
IR 305 x 21.1
A = 26.8 cm2
ry = 1.9 cm
Iy = 98 cm4
Para este perfil, la carga admisible a la compresión se calcula:
Para mostrar que los pilotes metálicos
con los Perfiles tipo IR no sufren
pandeo, de igual forma
cuando
atraviesan suelos blandos, tomaremos
de la serie de Perfiles, lo que presenta
el menor radio de giro y que
consecuentemente tendrá el mayor
índice de esbeltez (λ= kLs/r)
Para ese cálculo adoptaremos la
hipótesis de que el tope del pilote esté
unido al encepado (pilote articulado en
el encepado y empotrado a una
profundidad Ls, calculado por el
método de Davisson y Robinson - VI A
ICSMFE - 1965). Esa hipótesis es
válida pues los pilotes trabajan,
generalmente, en grupos solidarizados
por un encepado rígido, donde no es
necesario tomar en cuenta las
excentricidades (de segundo orden) en
la aplicación de la carga. Mismo
cuando el pilote es separado, la NBR
6122/1996 recomienda que el
encepado sea unido por dos vigas
ortogonales
que
deberán
ser
dimensionadas para absorber una
excentricidad del 10% del diámetro del
pilote o, en el caso de pilotes metálicos,
del diámetro de la sección circular de
área equivalente a la del rectángulo
envolvente. En el caso de encepado
con dos pilotes la NBR 6122/1996
también recomienda que el encepado
sea trabado por una viga transversal al
plano que contiene los pilotes.
Pág.9
(Davisson y Robinson)
Para arena poco compacta sumergida
Sólo hay este valor en suelos friccionantes,
en arcillas de usa k.
Esbeltez máxima
Pág.10
Según la NBR 8800, la carga estructural admisible del perfil a la compresión será:
Patines
Esbeltez local
Alma
Coeficiente
de esbeltez
Considerando un: Coeficiente de Ponderación medio
4.2 Capacidad de Carga Estructural
La carga estructural admisible de los Perfiles Gerdau Corsa utilizados como pilotes, según la NBR 8800,
puede ser determinada por:
(A) Por lo tanto, la carga estructural admisible del perfil de mayor esbeltez de la serie, IR 305 x
21.1, trabajando como pilote enterrado en suelo de baja resistencia con λ = 55, ρ = 0.8, y sin
reducción de sección, será:
(B) La carga estructural admisible a la compresión del perfil IR 305 x 21.1 calculada con la reducción de
sección de 1.5 mm en todo el perímetro, debido a la corrosión preconcebida por la NBR 6122 / 1996a y sin
pandeo (λ = 15, ρ = 1.0), será:
Bajo las siguientes consideraciones:
1) Según la NBR 8800, las secciones que atienden a los límites de esbeltez local mostrados abajo para el
patín y el alma son consideradas estables localmente y por lo tanto son totalmente efectivas (Q = 1.0), siendo
su dimensionamiento comandado por la resistencia global del elemento.
Todos los Perfiles del tipo H, atienden a los límites abajo, o sea Q = 1.0.
Algunos Perfiles del tipo I, tienen alma que no atiende a los límites abajo y pueden tener una pequeña
reducción en la capacidad global del elemento, o sea Q < 10. Todavia, entre las incertidumbres de las
cargas y teniendo en vista que ya estamos adoptando γp = 1.5 (ver capítulo abajo) cuando la NBR
6122/96 permite adoptar γf= 1.4, también para los pilotes en forma de “I” adoptaremos Q = 1.
Considerando que el valor calculado en (A), logrado con el perfil más esbelto de la serie en suelo de baja
resistencia es cerca del 70% mayor de lo que el valor calculado en (B), logrado con la reducción de sección y
sin considerar el pandeo, adoptaremos para la tabla de la carga estructural admisible la expresión utilizada en
(B), que deberá atender para perfiles utilizados como pilotes en suelos normales.
a NBR 6122: 1996 - Párrafo 7.8.2.3.2: Cuando el pilote trabaja total y permanentemente enterrado en suelo natural, se debe
descontar de su espesor 1.5 mm de cada superficie que entre en contacto con el suelo, exceptuándose los pilotes que
dispongan de protección especial, de comprobada eficiencia a la corrosión.
Pág.11
Pág.12
5. CAPACIDAD DE CARGA GEOTÉCNICA
La carga estructural admisible, también
denominada carga característica, presentada en la
Tabla 2, es la máxima carga que el pilote podrá
resistir, ya que corresponde a la resistencia
estructural del acero que compone el pilote. Sin
embargo, es necesario un pilote con una longitud
tal que permita que esa carga pueda ser alcanzada
bajo el punto de vista del contacto pilote-suelo.
Ese procedimiento constituye lo que se denomina
“previsión de la capacidad de carga”. La Figura 1
muestra dos situaciones de pilotes del mismo tipo,
enterrados en un mismo suelo. El caso (a)
corresponde a pilotes con mismo perímetro U y
misma área de punta A, sin embargo con
diferentes longitudes, de tal suerte que el pilote
con mayor longitud presentará mayor capacidad
de carga. Análogamente, el caso (b) presenta dos
pilotes con misma longitud, pero con perímetro U y
área de punta A diferentes. En ese caso el pilote
de mayor perímetro y área presentará mayor
capacidad de carga. Por lo tanto, el proyecto de
una cimentación consiste en optimizar perímetros
y áreas de punta en función de las características
de resistencia del suelo y de las limitaciones de los
equipos de hincado. Es evidente que, en esa
optimización, y siempre que sea posible, se deben
utilizar pilotes y equipos que permitan instalarlos
en una longitud tal que la carga estructural
admisible pueda ser alcanzada, pues ésa es la
máxima carga que el pilote puede soportar. Pero
no siempre eso es posible y, de una manera
general, la carga admisible del pilote será inferior a
aquella mostrada en la Tabla 2. Es por esa razón
que no existen tablas de cargas admisibles de
pilotes metálicos (o de otro tipo).
2) Considerando que en muchos casos no se conoce el origen exacto de las cargas, adoptaremos, para la
determinación de la carga estructural admisible, con base en los coeficientes de ponderación de la NBR
8800 un coeficiente de ponderación medio para las acciones γ= 1.5
3) Con base en la NBR 8800 adoptaremos el siguiente coeficiente de ponderación para las resistencias
γ = 0.9
4) Usaremos para el cálculo, el área reducida (A's ) que fue calculada descontándose del área
bruta (As ) el espesor de 1.5 mm en todo el perímetro del Perfil.
Así, la expresión (1) para el caso de pilotes con Perfiles IR, de acuerdo con las consideraciones arriba será:
o, como fy = 2.5 ton/cm2, P = 2.1* A’s
(2a)
Para el caso particular en que los pilotes estén totalmente enterrados (sin pandeo), ρ = 1 y la expresión (2a)
pasa a ser escrita:
P = 2.*A’s
(2b)
En las expresiones (2a) y (2b) ρ está dado en ton para A’s en cm2. Los valores así logrados son
presentados en la tabla del anexo I.
La carga admisible a adoptar para el pilote deberá atender también la carga geotécnica admisible (< o igual
al valor de la tabla), obtenida del análisis de los parámetros geotécnicos donde el pilote será enterrado. Esa
carga admisible geotécnica será lograda utilizándose uno de los métodos, teóricos o semi-empíricos, de
capacidad de carga indicados en Mecánica de Suelos y que atienda a lo previsto en el capítulo 3.26 de la NBR
6122/1996.
Pág.13
Caso
A
Mismas U y A
diferentes longitudes
Caso
B
Mismas longitud
diferentes U y A
Figura 1: Capacidad de carga de pilotes del mismo tipo en un mismo suelo.
Pág.14
En Brasil, el estimado de capacidad de carga
geotécnica es hecha por los métodos
semiempíricos, cuyo origen se dio en 1975,
cuando fue presentado el primer método brasileño
propuesto por Aoki y Velloso. Desde entonces
varios otros autores, siguiendo la misma línea de
razonamiento, presentaron otros métodos,
existiendo hoy una experiencia bastante razonable
de los profesionales del área de cimentaciones.
Todos los métodos semi-empíricos tienen como
base la Figura 2 en que la carga de ruptura
geotécnica PR del suelo, que da soporte a un
pilote separado, es admitida igual a la suma de dos
factores:
6. PILOTES METÁLICOS DE SECCIÓN
TRANSVERSAL DECRECIENTE
CON LA PROFUNDIDAD
Hasta 2006, los pilotes metálicos se
proyectaban utilizando únicamente perfiles
de sección constante. Sin embargo, según
se puede ver en la Figura 2, la carga axial
que deberá ser resistida por un pilote
metálico decrece con la profundidad, desde
el valor máximo (PR), en el tope, hasta el
valor mínimo en la punta (PP). Como esos
valores de carga son consecuentes de los
valores de “rotura” del suelo, la carga
(admisible o característica) a ser resistida
por el pilote equivale a la mitad de ese valor,
o sea, P = PR/2 en el tope. Así, se puede
concluir que la sección transversal de un
pilote metálico no necesita ser constante en
toda su extensión, ya que la carga que en ella
irá a actuar decrece con la profundidad. O
sea, la sección de un pilote podrá variar
(decrecer) con la profundidad, desde que
atiende a la carga axial (con los respectivos
coeficientes de ponderación) mostrada en la
Figura 2.
PR = PL + PP
PL = U*ΣΔl*rl
PP = Ap*rp
U
carga en la ruptura del suelo que da soporte al pilote, siendo:
factor de carga por fricción lateral a lo largo del fuste del pilote
factor de carga debido a la punta del pilote
perímetro crecido de la sección transversal del pilote
Δl
tramo de suelo donde sel admite r constante
Ap
área de la punta del pilote que aporta para la capacidad de carga.
Su máximo valor será bf*d
La diferencia entre los diversos métodos de capacidad de carga está en la evaluación de los valores de rl y rp
ya que los demás factores involucrados son geométricos.
Pág.15
Ese es un concepto nuevo, introducido en
2006 por el cuerpo técnico de Gerdau
Açominas y denominado “Pilotes Metálicos
de Sección Transversal Decreciente con la
Profundidad”, y que tiene como ventaja
principal la reducción del peso de los pilotes
metálicos. Es decir, con la
variación
decreciente de la sección transversal de los
pilotes, se pueden lograr idénticas
capacidades de carga con una economía
sustancial en el peso de las mismas.
El concepto es muy simple y se basa en la
utilización de Perfiles de un mismo grupo
para componer los pilotes con sección
transversal decreciente. Son considerados
Perfiles de un mismo grupo aquéllos cuyas
medidas son de misma altura nominal, con
variaciones en el espesor de alma y patín
(variación de masa y en el perímetro total).
Siendo del mismo grupo, las uniones de los
Perfiles de diferentes dimensiones serán
ejecutadas con facilidad, idénticas a los
pilotes con Perfiles de misma sección.
Pág.16
Los Perfiles IR, disponibles en amplia
variedad de medidas para un mismo
grupo,
ofrecen
extraordinaria
flexibilidad para el uso de este nuevo
concepto de pilotes. Usando como
ejemplo las medidas del grupo con
305 mm de altura (4 diferente perfiles
del tipo IR), el perímetro varía entre el
de menor y el de mayor peso del 0.5%
a 2%, mientras las reducciones de
masa van del 13% a 58%.
Dependiendo
obviamente
del
proyecto, de la condición de la obra, y
de la combinación de los diferentes
Perfiles que compondrán los pilotes,
se puede economizar de una manera
general para pilotes “largos”, entre
15% y 25% del peso total de los
pilotes metálicos de una obra
utilizando
sección
transversal
decreciente.
Figura
3
Composición de perfiles IR o W
(concepto de pilotes de sección
decreciente con la profundidad)
7. DETALLES DE LOS EMPALMES DE
LOS PERFILES
Los empalmes de los Perfiles son hechos a través de placas, fabricadas con sobrantes de los propios perfiles.
El tamaño del cordón de soldadura y su espesor debe ser tal que garantice en la sección soldada, la misma
resistencia del perfil. La práctica normal es usar placas extraídas de los patines para ser soldadas también en
las alas, y placas del alma para ser soldadas en el alma.Las placas son previamente soldadas en el elemento
superior (cuando el mismo aún no ha sido alzado, o sea, soldadura hecha con el perfil en el suelo). En seguida,
ese elemento, ya con las placas, es alzado y posicionado sobre el tope del perfil ya hincado. A continuación se
encaja el tope del perfil en la cabeza del ya hincado y se alinea el elemento superior con el inferior. Después de
esa operación se apoya la maza sobre el sombrerete, se verifica la alineación, o la plomada y se ajustan las
placas. Luego se suelda conforme detalle típico mostrada en la Figura 4.
Es
recomendable
analizar
la
aplicación de este nuevo concepto en
toda y cualquier obra que requiera el
uso de cimentaciones profundas, con
pilotes compuestos, por lo menos, por
dos secciones de Perfiles. Como para
cualquier otra solución, el tipo de
suelo necesita ser considerado, pero,
en los análisis ya realizados, la
aplicación de pilotes metálicos de
sección transversal decreciente, se ha
mostrado
alta
eficiencia,
principalmente para suelos naturales
de diferentes tipos.
En Brasil, varias obras ya fueron
realizadas utilizando este nuevo
concepto. En la Figura 3, se muestra
una
de
esas
composiciones,
proyectada para obra ejecutada en el
Estado de São Paulo, en la ciudad de
Santos. En esa obra fueron utilizados
pilotes metálicos compuestos con
Perfiles WF de 310 mm de altura,
cuyas secciones tenían peso variando
entre 125 kg/m y 79 kg/m. Para
comprobar la eficiencia de esos
pilotes,
se
han
realizado,
regularmente, pruebas de carga
estáticas cuyo resumen se presenta
en el capítulo 10.
Pág.17
Nota: Figura sin escala, cuya finalidad es resaltar el
concepto de Pilotes Metálicos de Sección Transversal
Decreciente con la Profundidad.
Nota: Para Pilotes de Tensión, debe hacerse una verificación de la longitud de las placas
soldadas a modo que las mismas resistan los esfuerzos de la Tensión.
Pág.18
8. UNIÓN DE LOS PILOTESA
LA CIMENTACIÓN
La unión de los pilotes metálicos al encepado debe ser hecha de modo que las cargas resistidas por el encepado
sean transmitidas adecuadamente y con garantía de continuidad a los pilotes.
1er Caso - Pilotes Comprimidos
El detalle mostrado en la Figura 5, muy difundido entre los calculistas de concreto armado, que consiste en soldar
una placa en el tope del pilote no es recomendable, pues tiene como principal inconveniente, el hecho del corte del
perfil metálico, en la cota de enrase (después de hincado) donde será soldada la placa, con soplete y en posición muy
desfavorable para el operador, trabajando dentro del hueco para la construcción del encepado y, en la mayoría de las
veces próximo del nivel del agua. En estas condiciones adversas de corte, resultará una superficie sin garantía de
perpendicularidad al eje del pilote, además en forma irregular y, de una manera general, no plana. Por esa razón el
contacto de la placa con el área del perfil metálico es perjudicial. Para agravar la situación, normalmente la placa es
mayor que la proyección de la sección transversal del perfil, necesitando que la soldadura de ésta al perfil sea
realizada por debajo de la misma y, por lo tanto, sin cualquier control de la calidad de esa soldadura.
Figura
5
Solución NO recomendada,
para la unión del pilote metálico
al encepado
La unión más eficiente y recomendada por la NBR
6122/1996, consiste en empotrar 20 cm del pilote
en el encepado, arriba de la armadura principal del
encepado, según se muestra en la Figura 6.
También se puede utilizar una solución alternativa,
Pág.19
mostrada en la Figura 7, en que se sueldan barras al
perfil abajo de la cota de enrrasamiento y se
envuelve esa región con concreto armado.
Generalmente esa longitud es del orden de 50 cm.
Pág.20
Figura
6
9. CONTROLES DE LA CAPACIDAD DE CARGA
Solución de unión pilote-encepado,
recomendada por la NBR 6122/1996
(capítulo 7.8.2.3.2)
9.1 Durante el Proceso de Hincado
Los pilotes metálicos pueden ser hincados con la utilización de martillos de caída libre, hidráulicos, a diesel,
neumáticos y vibratorios. La elección de uno u otro martillo depende, principalmente, de las características
del suelo, de la longitud del pilote y del nivel de ruido y vibración. De la buena elección del martillo resultará
un mejor desempeño del proceso de hincado en particular en cuanto a las vibraciones y al ruido que hoy
día, en centros urbanos, acaban siendo la condicionante para la elección del tipo de cimentación.Cualquiera
que sea el martinete empleado, el control de hincado es hecho, tradicionalmente por el rechazo, por el
repique y, en obras más importantes, por el ensayo de carga dinámica (NBR 13208/1994 de la ABNT).Para garantizar que el perfil sea hincado en la posición de proyecto se debe proveer una guía de madera
“enterrada” según se muestra en la Figura 8.
Figura
2do Caso – Pilotes de Tracción
En el caso que los pilotes trabajen a la tracción, la
unión con el encepado es hecha a través de un
armado, convenientemente calculado, soldado al
perfil, análogamente al mostrado en la Figura 7, y
Figura
7
8
Guía para el hincado del pilote.
que deberá penetrar en el encepado la longitud
necesaria para transmitirle la carga de tracción, por
adherencia, calculada según la Norma NBR
6118/2003.
Solución alternativa
de unión pilote-encepado
Rechazo
Nota: Más detalles acerca del encepado en el capítulo 11
Pág.21
El rechazo es una medida tradicional, aunque, hoy día, sea más usada para el control de la uniformidad del
proceso de cimentación cuando se busca mantener, durante la hincado, rechazos aproximadamente iguales para
pilotes con cargas iguales. El rechazo corresponde a la penetración permanente de la estaca, cuando sobre la
misma se aplica un golpe de la maza. En general es logrado como un décimo de la penetración total para diez
golpes.A pesar de las críticas a las fórmulas de los rechazos (entre otras el hecho de que fueron desarrolladas a
partir de la Teoría de Choque de Cuerpos Rígidos, lo que está muy lejos de representar un pilote largo, pues bajo la
acción del golpe de la maza, la punta del mismo no se desplaza al mismo tiempo que el tope), estas aún son parte
del “recetario” de los encargados del hincado de los pilotes.El rechazo también puede ser medido recorrido un
determinado tiempo después del hincado del pilote. Es denominado “rechazo de re-hincado o de recuperación”, y
compararla con la medida al final del hincado para verificar si el suelo presenta el fenómeno de la cicatrización
(disminución del rechazo con el tiempo) o relajación (aumento del rechazo con el tiempo).
Pág.22
Ensayo de Carga Dinámica (Norma NBR 13208/1994 de la ABNT)
Este ensayo, basado en la Ecuación de la Onda, es más completo que el repique. Consiste en acoplar al pilote un
par de transductores de deformación específica y un par de acelerómetros, posicionados en planos
ortogonales, para poder corregir eventuales efectos debido a la flexión del pilote en función de la no
coincidencia del golpe del pilar con el eje de la estaca (Foto 6). Esos transductores son conectados “on line” a un
analizador PDA (Pile Driving Analyser) mostrado en la Foto 7.
Foto
6
Transductores de aceleración
y deformación específica
Foto
5
Registro del repique
Repique
Al contrario del rechazo, el repique ya está incluido en el contexto de la Teoría de Propagación de la Onda y, por lo
tanto, presenta resultados con mucho menos dispersión que el rechazo. El repique representa el tramo elástico
del desplazamiento máximo de una sección del pilote, consecuente de la aplicación de un golpe de la maza. Su
control puede ser hecho a través del registro gráfico en una hoja de papel fijada al pilote y moviéndose un lápiz,
apoyado en un referencial, en el instante del golpe, según se muestra en la Foto 5. El valor logrado, corresponde a
la solución de la Ecuación de la Onda, en lo que refiere al desplazamiento máximo y sin la escala de tiempo. La
interpretación de la señal lograda permite estimar la carga movilizada durante el golpe de la maza. Análogamente al
rechazo esa señal puede ser lograda recorrido un cierto tiempo después del hincado para verificar los fenómenos
de la “cicatrización” (aumento de la capacidad de carga con el tiempo) o “relajación” (disminución de la capacidad
de carga con el tiempo) del pilote.
Pág.23
Foto
7
Equipos PDS para procesamiento
de las señales de los
transductores acoplados al pilote
Pág.24
9.2 Pruebas de Carga Estática (Norma NBR 12131/2006 de la ABNT)
Los ensayos de carga estática consisten en aplicar al pilote una carga y medir los hundimientos correspondientes.
Por lo tanto se utiliza gato hidraulico que reacciona contra un sistema de vigas metálicas, que a su vez se ancla en
tirantes o en pilotes de tracción. La utilización de pilotes metálicos facilita la ejecución de ensayos de carga estática,
pues se pueden utilizar pilotes del propio conjunto como elementos de tracción, según se muestra en la Foto 8.
Foto
6
Prueba de carga estática.
Carga (kN) o (TonF)
Carga
Hundimiento (mm)
El PDA procesa los datos recibidos de los transductores y los procesa logrando señales de
velocidad (integración de la aceleración) y de fuerza (ley de Hooke aplicado a la señal de
deformación específica). La interpretación de las señales indica la estimativa de la carga
movilizada durante cada golpe de la maza. Cabe recordar que la carga movilizada por los
golpes de la maza no siempre corresponde a la capacidad de carga geotécnica del pilote,
pues la misma depende de la energía aplicada al pilote por los golpes de la maza.
Solamente en el caso que esa energía sea suficiente para movilizar toda la resistencia del
suelo al rededor del pilote es que ese valor medido por el ensayo de carga dinámica podrá
aproximarse a la capacidad de carga del pilote. Sin embargo, ese valor solamente podrá ser
medido por los tradicionales ensayos de carga estáticas, según se expone a continuación.
Descarga
El ensayo de carga estática es el método más
confiable e indiscutible para evaluar la
capacidad de carga de un pilote separado. Los
ensayos de carga dinámica, aunque sean
atractivos del punto de vista de costo, siempre
necesitarán correlaciones. Es por esa razón que
algunos proyectistas de cimentaciones
cuestionan los resultados de los ensayos PDA y
sugieren que los mismos sean contrastados,
por lo menos, por una prueba de carga estática.
(b) Curva Típica carga-hundimiento
Pág.25
Pág.26
9.3 Pruebas de Carga Instrumentados
Cuando se pretende verificar la transferencia de carga pilote-suelo, se utilizan “strain gages” unidos al pilote, y en
puntos estratégicos según se muestra en la Figura 9, donde se quería verificar la transferencia de carga en las
capas de arena y en la punta del pilote.
Foto
10
Sistema de colecta de datos durante
la instrumentación de los pilotes.
Caja selectora
Los “strain gages” se basan en el principio de variación de la resistencia eléctrica de hilos que experimentan
variación de longitud, utilizándose el “puente de Wheastone”. La colecta de datos y la interpretación de los mismos
son mostradas en la Figura 10. Con base en esos valores es posible determinarse, para cada hundimiento
instrumentado, la carga actuante en el pilote para cada nivel de carga. El resultado del ensayo decarga
instrumentado de la Figura 9 es mostrada en la figura 11. En esa figura se percibe que después de la
descarga del pilote, quedó una carga residual en la misma, o sea, el pilote “se quedó preso”, no consiguiendo volver
totalmente. Pero un hecho importante (posteriormente constatado en otras instrumentaciones), es que la carga de
punta de los pilotes metálicos, cuando están apoyados en suelo poco portante (como en el presente caso) es
muy próxima de cero. Así se demuestra que no se puede considerar, para ese tipo de pilote, el concepto ampliamente
divulgado en el medio geotécnico de que el área de la punta que contribuye para la capacidad de carga corresponde
aquella lograda con el rectángulo envolvente a la sección transversal del perfil metálico.
P
Cables
Panel digital
Strain
gages
Deformación especifica
Ley de hooke
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Pág.28
Figura
11
Pruebas de carga – Distribución
de la Carga con la Profundidad.
10. ENCEPADOS
Obra/Local: Santos – SP – Brasil
Fecha 08/12/2006
En este capítulo se presenta la disposición típica de las armaduras para la solución recomendada por la NBR
6122/1996 para embutir los perfiles en el encepado, según se muestra en las figuras a seguir.Esta opción
presupone que el encepado sea calculado como rígido. El cálculo de la armadura no es parte de este trabajo, pues
depende de las cargas aplicadas por los pilares al encepado, de las dimensiones de los pilares, del tipo de
concreto, de la rigidez del encepado, etc.Cuando no sea posible utilizar encepado rígido, se debe envolver el trecho
embutido del pilote metálico en el bloque, por una espiral de acero para garantizar que no haya rotura por punzón.La
NBR 6122/1996 no estipula dilatación entre pilotes. Sin embargo, en el capitulo 7.7.2 de esa Norma se exige
que la carga admisible de un grupo de pilotes no sea superior a la de una zapata de mismo contorno que el del
grupo, y asiente a una profundidad arriba de la punta de los pilotes igual a 1/3 de la longitud de penetración
en la cama de soporte. Para efectos prácticos, no se debe usar separación inferior a 100 cm entre ejes de los
pilotes. Esa separación puede ser usada para los perfiles metálicos d< 40 cm. Para los demás perfiles se puede
adoptar 150 cm como separación mínima.Serán presentadas apenas las disposiciones típicas de la armadura de los
encepados con 1, 2, 3 y 4 pilotes, ya que con 5 o más pilotes siguen el estándar del de 4 pilotes.
Encepado con un pilote
Forma
Sección
Armazón
Pág.29
Pág.30
Encepado con dos pilotes
Encepado con tres pilotes
Forma
Forma
Armazón
Corte
Armazón inferiror
Armazón superiror
Corte longitudinal
N3 (Costillas) en los 3 lados
Corte transversal
Pág.31
Pág.32
Encepado con tres pilotes
Forma
N3 (Costillas) en los 4 lados
Pág.33
Pág.34
11. REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
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Manual de pilotes metálicos

Transcripción

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