DISEÑO DE PILOTES DE ACERO www.geoservicios.mx
81 DC.
Circus of Arles 900 DC.
http://wiki.ead.pucv.cl/Tenochtitl%C3%A1n;_ciudad_de_aguas
A.
Definición y terminología
• Una cimentación profunda se caracteriza por la manera en que el suelo es solicitado para resistir las cargas aplicadas • Resistencia por punta • Resistencia por fuste del pilote • Resistencia por punta y fricción • Sus dimensiones están definidas por: D/B >6; D>3 m
Norma Geotécnica francesa
• D/B >5 Ministere de l'équipement, du logement et des transports (1993). Regles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de génie civil. Fascicule N° 62 - Titre V.
•
A.1 Aplicaciones
B. Principios de funcionamiento
• En las ecuaciones de capacidad de carga, se asume que la resistencia por fuste y punta no son interdependientes. Esta suposición no puede ser estrictamente correcta, pero es lo suficientemente correcta para fines prácticos en pilas y pilotes.
Poulos & Davis (1980) Pile Foundation Analysis and Design
B.1 Mecanismo de transferencia de carga
C. Capacidad de carga por fuste
• La resistencia lateral del pilote es proporcional a: • La superficie de contacto lateral (perímetro) entre el pilote y el suelo. • Coeficiente de frotamiento pilote-suelo: • Rugosidad del pilote • Presión lateral • Coeficiente de fricción del suelo
• Requiere deformación para ser movilizado
C.1 Áreas de contacto
C.2 Geometría a considerar
C.3 Fricción Método
Tipo
Parámetros de diseño
Estimación del ángulo de fricción interna • Gráficas de diseño provistas por Norlund • Basado en observaciones de campo • Sección 7.2.1.3.1 AASHTO •
Norlund & Thurman (Hannigan 2006)
Semiempírico
qs = Kδ CF σ 'v
sin (δ + ω ) cos ω
(+) • Incremento de fricción en pilotes con sección variable • Coeficiente de fricción para diferentes materiales de pilotes
(-)
• •
No limita la fricción unitaria en el fuste. El ángulo de fricción interna suele ser correlacionado de pruebas SPT
C.3 Fricción Método
API RP2A
Tipo
Empírico, esfuerzos efectivos
qs = Kδ σ 'v tan δ
Parámetros de diseño • Estimación del ángulo de fricción interna • Kd = 0.8 (punta abierta), 1.0 punta cerrada • d según tablas
(+) • Desarrollado específicamente para tubos de gran diámetro
(-) • Aplicación limitada a otros tipos de pilotes
C.3 Fricción Método
Meyerhof (1976)
Tipo
(+)
Parámetros de diseño
Empírico, SPT
• Número de golpes corregidos
q s = (1.915 kPa ) N 160
q s = ( 0.958 kPa ) N 160
Despl. despl.
(-)
• Simple • Tan confiable como • Ámpliamente usado la prueba SPT • Basado en correlaciones • N60 no siempre de pruebas de carga disponible
1.92MPa N160 = Ncorr = 0.77 log10 N ≤ 2 N σ ' v
C.4 Adhesión Método
Método a Thomlinson (1980)
Tipo
Empírico, esfuerzos totales
Parámetros de diseño
• Resistencia al corte de los suelos, Su
qs = α Su
(+)
(-)
• Simple • Ámpliamente usado • Tablas para el factor a
• Subestima adhesión en suelos blandos y medios • Dispersión en la adhesión vs. Su
C.4 Adhesión Método
API RP2A (1993)
Tipo
Empírico, esfuerzos totales
Parámetros de diseño
• Resistencia al corte de los suelos, Su
qs = α Su
(+)
(-)
• Simple • Ámpliamente usado • Fúrmula para el factor a en relación con el esfuerzo efectivo
• Desarrollado para pilotes tubulares de gran diámetro.
C.4 Adhesión Método Método b (Esrig & Kirby 1979)
Tipo
Empírico, esfuerzos efectivos
• OCR en suelos
OCR
qc = β ·σ 'v
(+)
(-)
• Simple • Toma en cuenta el efecto de la preconsolidación
• Suelos medios a duros
Parámetros de diseño
0 1 2 4 8 16
Beta PI=20 0.34 0.34 0.46 0.66 1.12 2
PI=60 0.28 0.28 0.45 0.72 1.22 2
C.4 Adhesión Método
CPT
Tipo
Empírico,
Parámetros de diseño
• Resistencia en fuste de cono eléctrico
(+)
(-)
• Repetitividad de resultados • Medición directa de la adhesión en el aparato
• Suelos blandos a medios • Efecto de la velocidad de carga en pilotes
Pilotes de desplazamiento / sin desplazamiento
Norlund (1979)
Fricción de la interfase
D.1 Capacidad de carga por punta Método Meyerhof (1979)
Método Normund & Thurman (1979)
q ps = α t N 'q σ 'v ≤ qL Fricción media Factor de corrección Factor capacidad de carga Presión límite Esfuerzo efectivo máximo
q pu = 38.3kPa
Vesic (1975)
Ncorr· Db ≤ qL D
at
Esfuerzo vertical efectivo
N prom s'v
N'q qL s'v máx
Correción SPT Presión límite Diámetro del pilote Empotramiento efectivo
Ncorr qL D Db
f pond
Golpes prueba SPT
f 0 30 35 40 45 50
ql [kPa] 100 478.8 4788 19152 38304 95760
q ps = η·σ 'v N 'q d q d q = 1 + 2 tan θ (1 − sin θ ) tan −1 L / B 2
l/b= 3 N 'q = 3 − sin θ
42.0949857 θ 1.33sin (π /2−θ ) tan θ 2 tan 45 + I rr 1+sin e 2
D. Resistencia por punta La det erm inaci ón de la r esi st enci a por punt a del pi lot e puede ser esti mada usando un promedio ponder ado de l a resist encia del nucleo (Nut ti nhgham & Scher t man n, 1975) en la vecin dad de la punt a del pi lot e, median t e la sigui ent e ecuaci ón:
q p :=
Don de qp1 qp2
q p1 + q p2 2
=
capacidad medi a pon der ada en tr e 0.7 y 4 v eces el diám et ro del pilot e por debajo de la pun t a. = capacidad de carga media ponder ada a 8·D por arri ba de la punt a del pilot e
Los ran gos de ponderaci ón por capacidad de car ga son, ent on ces, com o sigue:
Profundidad incial de ponderación
8.0 * Dp+ zf
Profundad final de ponderación
4.0 * Dp+ zf
GEOMETRÍA A CONSIDERAR
• Bowles (1976)
Arcelor, en arenas
0.25·b·h< Aplug < 0.6·b·h (W) (H)
En arcillas, Aplug = b·h
D.1 Capacidad de carga por punta NTC-DF (2004)
Fricción
q pu = pv N q*
Presión límite en la punta
N q* = N min + Le
Jambu (1976)
N máx − N min 4 B tan ( 45 + θ / 2 ) Tabla 3.3
fu (°) Nmáx Nmín
0 12.5 7
20 12.5 7
25 26 11.5
30 55 20
35 132 39
40 350 78
p'v fu (°) Nmáx Nmín Nq
45 1000 130
Presión límite en la punta
q ps = η·σ 'v N 'q d q
)e ( l/b= 42.0949857
N 'q = tan θ + (1 + tan 2 θ
2
2ψ tan θ
d q = 1 + 2 tan θ (1 − sin θ ) tan −1 L / B 2
n s'v N'q dq ¥
D.2 Capacidad de carga Suelos Cohesivos AASHTO 10.7.3.8.6e-1
Vesic (1975)
q pc = 9 Su
Presión límite en la punta
Presión límite en la punta
N cfi_pond = ( N q29.9999998 − 1) cot θ > 9.0 l/b= 42.0949857
NTC-DF (2004)
Presión límite en la punta (eq. 3.13) Tabla 3.2 fu (°) Nc*
dc = 1 + 0.4 tan −1 ( L / B )
Adhesión
0 7
5 9
Pilote Hincado
10 13
q pc = cu N c* fu (°) cu Nc FR * Fre
q pc = cN 'c dc c N'q N'c dc
D.3 Penetrómetro Menard
Fascicule 62 Titre V
D.4 Penetrómetro Menard
Fórmulas Dinámicas FHWA HI 97- 014, Course No. 13221 y 13222
Esfuerzo permisible en pilotes de acero - 0.85 fy
Factor de seguridad Fórmula de Gates
FS=
Concreto - 0.85 ݂′ܿ - ݂݁ (compresión)
4
RU F = 7 Er log(10 Nb ) − 550 Er = Energía efectiva de hincado [J] Nb= Número de golpes para penetrar 25 mm
Criterio de rechazo (USACE):
Madera
3-4 b/in (110 b/m) Concreto
10 b/in (390 b/m) Tubo acero 10 – 20 b/in (390-700 b/m) Viga H 10 – 20 b/in (390-700 b/m)
D.4 Capacidad de carga en roca
F. Factor de seguridad / de resistencia • ASD • PUNTA: 2.5 – 3.5 (3.0) • FUSTE: 1.5 – 2.5 (2.0)
• LRFD
F. Métodos de verificación en campo
Eficiencia de Grupo
G. Deformaciones
Donde q= D= E, v = If, F1 =
Sobrecarga en la punta del pilote o pila Ancho o diám etro del pilote Parám etros elásticos Factores de form a y reducción
IF =
0.55 si L/ D ≤ 5 0.50 si L/ D > 5 0.25 para pilotes por fuste 0.5 para pilotes por fuste – punta 0.75 para pilotes por punta
F1 =
H. Corrosión • FHWA corrosión = 0.6 in (1.5cm)
H. Corrosión EN 1993-5: 2007 Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 5: Piling; Tabla 4.1 y 4.2 Condición Condición atmosférica normal Atmosférica Ubicaciones cercanas al mar Suelos naturales no alterados (arena, alimo, arcilla, etc.) Suelos contaminados y terrenos industriales Suelos naturales agresivos (pantanos, salinas, turbas, etc.) Suelos
Rellenos compactados y no agresivos (arcillas, esquistos, arenas, limos) Rellenos compactados agresivos (cenizas, escorias, etc.) Rellenos no compactados y no agresivos (arcillas, esquistos, arenas, limos) Rellenos no compacatados agresivos (cenizas, escorias, etc.)
Agua
Agua dulce común (ríos y canales) en la zona de alto ataque (superficie del agua) Agua dulce muy contaminada (canales industriales, drenajes) en la zona de alto ataque (superficie del agua) Agua de mar en climas templados en la zona de alto ataque (zonas de rompiente de ola, nivel bajo de la marea) Agua de mar en climas templados en la zona de permanente inmersión o cambio de marea
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
5 0.05 0.10 0.00 0.15 0.20 0.18 0.50 0.09 0.25 0.15
25 0.25 0.50 0.30 0.75 1.00 0.70 2.00 0.35 1.00 0.55
50 0.50 1.00 0.60 1.50 1.75 1.20 3.25 0.60 1.63 0.90
75 0.75 1.50 0.90 2.25 2.50 1.70 4.50 0.85 2.25 1.15
100 1.00 2.00 1.20 3.00 3.25 2.20 5.75 1.10 2.88 1.40
200 2.00 4.00 2.40 6.00 6.25 4.20 10.75 2.10 5.40 2.40
0.00
0.30
1.30
2.30
3.30
4.30
8.30
0.00
0.55
1.90
3.75
5.60
7.50
15.10
0.00
0.25
0.90
1.75
2.60
3.50
7.10
I. Costo de cimentación
APLICACIONES
Pilotes mixtos
EJEMPLO • FHWA. Design and Construction of Driven Piles Foundations. FHWA HI 97013. National Highway Institute, 1998. Ex. #2. • L= 15m; Preexcavación 1.0m; NAF = 5.0m
Revisión estructural Esfuerzo Crítico Fcr por pandeo por flexión, torsión y flexotorsión Q⋅ F.y Qs<>1 límite Fsup Qs Q ⋅ F.y .e F.cr := a)Q⋅ 0.658 113.45 ⋅ F.y if3474.66 ≤ 2.25 F.e b) 99999.00 111172.40 Fcr 3,475 kg/cm² 0.877⋅ QValor ⋅ F.e otherwise
3,474.7 kg/cm²
Resistencia nominal Pn = Fcr·As =
428.1 ton
Resistencia admisible / factorizada
ASD PR = 0.9 Pn P LRFD Pa = n 1.67 ASD
Estático
Sismo
Pu
26.8 ton
36.7 ton
Pa
256.3 ton 9.553 OK
341.7 ton 9.308 OK
Estado Pu/Pa
0.11
OK
Zapatas de hincado
CONEXIONES
Equipos de hincado
Bibliografía AASHTO. LRFD Bridge Design Specifications, Customary Units. Washington DC, USA: AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY TRANSPORTATION OFFICIALS., 2012. API. Manual 2A-WDS. Recommended Practice for Planning, Designing and Construction of fixed Offshore Platforms. API American Petroleoum Institute, 2000. Bowles, Joseph. Foundations Analysis and Design. Quinta edición internacional. Singapore: McGraw-Hill, 1996. CFE. Manual de Diseño de obras Civiles: Cimentaciones. México: Comisión Federal de Electricidad, 1981. FHWA. Design and Construction of Driven Piles Foundations. FHWA HI 97-013. National Highway Institute, 1998. Jiménes Salas, José Antonio, José Luis Justo Alpañés and A.A. Serrano González. GEOTECNIA Y CIMIENTOS. Madrid: Ruada S.L., 1980. NAVFAC. DM 7.1 FOUNDATIONS ANTD EARTH STRUCTURES MANUAL. Washington DC: Naval Facilities Engineering Command, 1982. NTC-DF. Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de Construcción del Distrito Federal: Diseño por sismo, viento, cimentaciones. México: Gobierno del Distrito Federal, 2004. SMMS. Manual de Construcción Geotécnica, Tomo I y II. México DF: Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos AC, 2004. —. Manual de diseño y construcción de Pilas y Pilotes. México: Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, 1989. Taméz, Enrique. Ingeniería de Cimentaciones. México: TGC Geotecnia S.A de C.V, 2001.
Material de apoyo - FHWA. Design and Construction of Driven Piles Foundations. FHWA HI 97-013. National Highway Institute, 1998. https://www.fhwa.dot.gov/engineering/geotech/pubs/g ec12/nhi16009_v1.pdf - Revisión structural HP 12x65
- FHWA HI 97-013. National Highway Institute, 1998. Ejemplo No.2, cálculo Geotécnico
http://gofile.me/3JowL/7GjIulwoO
Fuente: World Steel Association http://www.worldsteel.org/
Fuente: World Steel Association http://www.worldsteel.org/
Vibrohincador: principio de funcionamiento
1 work
Forces the vibro and the casing downward
2
Nothing happens. Each eccentric cancels other out.
3 work
Both eccentrics for vibro and casing upward
4
Nothing happens. Each eccentric cancels other out.
Factor de redundancia
No. Pilotes
Factor de redundancia
≤4
0.8 (no redundante)
≥5
1.0 Redundante
SPT-CPT
Sondeos profundos
Pilotes de acero H
• Características Geométricas
Simplificación y sentido común
