1-pilotes Y Cabezales 3k5g6s
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PILOTES Y CABEZALES
Septiembre de 2015
Cátedra de Hormigón II
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FUNDACIONES INDIRECTAS o PROFUNDAS (Df/B>10 con Df: profundidad del cimiento y B: lado menor del cimiento)
•
Estas resultan necesarias, seguras, prácticas y económicas, cuando:
1. Se deba fundar sobre un terreno de escasa capacidad portante hasta gran profundidad, 2. Las capas de suelo resistente están a profundidades mayores de 5 o 6 metros, 3. Hay que descargar cargas verticales de gran envergadura, 4. Es necesario resistir acciones horizontales de cierta importancia, 5. Hay presencia de gran cantidad de agua subterránea a escasa profundidad. Agosto de 2014
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TIPOS DE CIMENTACIONES PROFUNDAS
a) Pilotes: Df/ø > 8 b) Pilas: Df/ø <= 4 → se usan en suelos firmes c) Cilindros de Fundación d) de Cajones de FundaciónCátedra → Sedeusan enIIaguas profundas Agosto 2014 Hormigón
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Generalidades •
Además de los esquemas de cimentaciones profundas mostradas, se mencionan los muros colados o muros pantalla, que también cumplen la función de recalce y/o cerramiento de excavaciones para subsuelos, que se verán con algún detalle en el tema muros de sostenimiento.
•
De todos ellos, se considerarán los Pilotes por ser la alternativa mas usada en nuestro medio por brindar una rápida, económica y efectiva respuesta al requerimiento de las cimentaciones profundas.
•
Con relación al Proyecto de Pilotes es destacable mencionar que no existe en el país un reglamento normativo al respecto y que cada proyectista o empresa ejecutora, se guían por distintas normas, generalmente europeas o norteamericana.
•
En cambio, el Cirsoc 201-2005, rige para todo lo concerniente a la calidad, recepción, control y aceptación de los materiales utilizados en la elaboración del hormigón armado y pretensado a usar en pilotes y sus cabezales , como también en la disposición, doblado y recubrimiento de las armaduras a utilizar en los mismos.
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PILOTES
• Los Pilotes son elementos estructurales prismáticos o cilíndricos esbeltos (l/a ó l/ø > 8) que se introducen profundamente en el terreno en forma vertical o inclinada para formar parte de una cimentación que trabajando a modo de columna empotrada superiormente en un cabezal o encepado, transmite eficazmente las cargas de la superestructura al suelo. • El cabezal rígido, de forma prismática acorde a la distribución de los pilotes que llegan a él, reparte uniformemente las cargas a los mismos.
• Asimismo y para cortar la longitud de pandeo del conjunto columna-pilote y evitar la formación de una libre articulación en la unión de la columna con el cabezal, se deben rigidizar los cabezales uniéndolos mediante riostras, como mínimo en 2 direcciones ortogonales, salvo que dicha vinculación se realice con una losa de espesor mínimo de 20 cm. Agosto de 2014
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Diferencias con las columnas: a) Menor peligro de pandeo, y b) Menor capacidad de carga. a) Se debe al impedimento que el terreno produce al movimiento lateral, disminuyendo mucho el peligro de Pandeo, aún que el terreno sea muy blando, especialmente cuando trabaja por fricción lateral. Según J.M., cuando el pilote trabaja de punta deberá tomarse como longitud de pandeo: ) La longitud total del pilote “Lp”, para suelos de poca consistencia, ) 2/3.Lp, para suelos de consistencia media, y ) 1/3.Lp, para suelos de buena consistencia.
b)
Esta 2° diferencia se debe a que en los pilotes “in-situ“ no puede garantizarse la calidad de los materiales usados (H° y A°) por las circunstancias que rodean su ejecución y en cuanto a los pilotes prefabricados hincados, el trato que reciben es tan duro que pueden provocar fisuras. Por tal motivo y como se verá en mayor detalle luego, las tensiones de trabajo del acero y del hormigón son tomadas con valores muy reducidos respecto de sus valores nominales.
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FUNCIONES BASICAS DE LOS PILOTES 1.
Transmitir, trabajando por punta, como una columna, superestructura, hasta un estrato firme del subsuelo.
las
cargas
de
la
2.
Distribuir cargas concentradas de gran magnitud, por adherencia o fricción, en suelos homogéneos de espesor considerable.
3.
Densificar y compactar suelos sueltos sin cohesión, incrementando su resistencia.
4.
Resistir cargas horizontales o inclinadas, debidas al viento, sismos o empujes actuando sobre la superestructura.
5.
Anclar estructuras, evitando que se inclinen o vuelquen.
6.
Controlar los asentamientos, cuando los suelos son compresibles o expansivos.
7.
Transmitir las cargas de las estructuras marítimas o fluviales hasta el suelo firme, por debajo del nivel de las aguas.
8.
Proteger la cimentación de los daños producidos por la socavación en el lecho de lagos, ríos o mares.
9.
Formar pantallas impermeables, colocadas en fila, en o entre si o tablestacas para resistir el empuje lateral de tierras o del agua, actuando como muros de contención o presas temporales.
10. Estabilizar taludes, evitando el deslizamiento de laderas y controlar los movimientos del terreno. Agosto de 2014
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TIPOS DE PILOTES •
Existen numerosas clasificaciones de pilotes, discriminados por su material, construcción, colocación, forma de hinca, sección, funcionamiento, dirección, cantidad, vinculación, etc.
•
Dado su uso mas extensivo en el país, se tratarán los pilotes de hormigón armado en sus formas prefabricada, in situ y mixtos.
PILOTES PREFABRICADOS • •
Se hincan en el terreno mediante máquinas del tipo martillo. Son relativamente caros, ya que deben ir fuertemente armados para resistir su transporte, izado e hinca. • Tienen el inconveniente de las vibraciones y contaminación sonora producida durante su hinca. • Tienen la ventaja, una vez fabricados, la rapidez de su colocación y puesta en servicio de la Obra. Pueden ser ejecutados con H° P°. • Su hinca constituye una buena prueba de carga Agosto de 2014
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Se recomienda que la armadura longitudinal, cumpla con las siguientes cuantías mínimas: r = 1,00 % cuando la relación Lp/ø < 30 r = 1,25 % cuando la relación Lp/ø = 30 r = 1,50 % cuando la relación Lp/ø > 30 y <= 40 r = 2,00 % cuando la relación Lp/ø > 40
Tiempo medio de fraguado: 14 a 28 días. Cabe acotar que los martinetes son reemplazados por hincadoras del tipo Delmag Diesel que aplican la energía equivalente a la causada por la caída del pilón desde una determinada altura con reducción de vibraciones y ruidos. A medida que el pilote penetra en el terreno, aumenta la resistencia por fricción, por lo que el criterio de rechazo, se determina a partir de que a igual cantidad de golpes, la penetración es menor. Así, se define el RECHAZO ABSOLUTO, que en la colocación de pilotes determina el fin del hincado y salvo disposiciones particulares, generalmente se registra cuando en las dos (2) últimas andanadas de diez (10) golpes se acusa una penetración de tres (3) cm. Este dato, como el de Penetración Promedio (cm) se extrae del estudio de suelos. Agosto de 2014
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PILOTES MOLDEADOS IN SITU Se ejecutan en perforaciones practicadas previamente con sondas de tipo rotativo, ya sea a trépano o con hélice continua, con o sin camisa o lodos bentoníticos, dependiendo de las condiciones del terreno en que se pretenda fundar. Generalmente son de mayor diámetro que los prefabricados (hasta 2,00 m) y resisten mayores cargas (hasta 2.000 tn). El lodo bentonítico es una arcilla formada por silicatos (59% sílice, 15% aluminio, 7% hierro, titanio, calcio, magnesio, sodio y potasio) que se expende en forma de polvo. Su propiedad mas importante es henchirse extraordinariamente aumentando varias veces su volumen con el agua (Lim. Liq.= 500 %). Su densidad varia entre 1,06 y 1,14 gr/cm³. Sus partículas coloidales en suspensión penetran en el suelo de las paredes de la perforación y por efecto de la tixotropía se convierten en un gel plástico, otorgando cohesión y disminuyendo la permeabilidad, formando una costra o torta de varios centímetros de espesor que estabilizan de forma duradera las paredes del pozo, evitando su derrumbe y posibilitando el hormigonado del pilote.
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Se aconseja la lectura y la comparación de las recomendaciones anteriores con la de la página siguiente donde se expresan las exigencias del Cirsoc respecto de las características del hormigón a usar en pilotes colados bajo agua.
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PILOTES CARGA ISIBLE DE UN PILOTE “Q” Actualmente, las cargas isibles de los pilotes varían de 30 a 2000 Tn, dependiendo del tipo y diámetro del pilote, mencionándose que cuando trabajan a tracción estas cargas se ven sensiblemente disminuidas. En consecuencia, la carga isible dependerá de la sección del pilote, de las calidades de los materiales a utilizar, de la solicitación y de las condiciones del suelo en el se pretenda fundar.
Determinaremos : 1) CALCULO DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO “Q1” 2) CALCULO DE LA CARGA ESTRUCTURAL “Q2” 3) CALCULO DE LA CARGA POR DEFORMACION ISIBLE “Q3” Agosto de 2014
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1) CALCULO DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO “Q1”
Q = Q + Q = q .A + q .A 1
p
f
p
p
f
f
Donde: Qp= Resistencia de Punta y Ap= Área de la punta Qf = Resistencia del Fuste y Af = Área del fuste
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Según el criterio de Meyerhof: “LA CARGA ISIBLE ES TRANSMITIDA SOLO POR LA PUNTA DEL PILOTE” Luego será →
Q1 = Qp = qp.Ap Siendo: qp = resistencia unitaria = po.Nq
Además: po= Presión efectiva en Df = S gi*hi Nq= Factor capacidad de carga = Ø = Coeficiente de fricción drenado=1 Agosto de 2014
N =Número de golpes del ensayo STP Cátedra de Hormigón II
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Asimismo Delft, al igual que Jiménez Montoya, utilizan el ensayo de penetración de Terzaghi o STP para el cálculo de la carga de hundimiento del pilote :
Q1 = Qp + Qf = qp.Ap + qf.Af Siendo: qp = 4.N [kg/cm²] ; Ap = Área de la punta del pilote qf = N/100 [kg/cm²] , con N =Número de golpes del ensayo STP ; A f = Área del fuste del pilote Expresiones que coinciden con J.M., pag 489 “Cimentaciones de H°A°”, como: Nu = 4.N.Ap + (Nm/100) . Af → para pilotes perforados. → Hay además, una expresión p/pilotes hincados. IMPORTANTE: Revisar los significados de cada termino para la utilización de las expresiones. Se recomienda, para mayor seguridad, calcular la carga de hundimiento por ambos criterios (Meyerhoff – Delft ó J. Montoya). Agosto de 2014
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Como esta carga es de hundimiento, es decir aquella carga que produce la fluencia del suelo en la punta del pilote y el deslizamiento del fuste, situación a la que no queremos llegar. Para evitarlo tomaremos una seguridad para trabajar con una carga isible al hundimiento. Dicho coeficiente de seguridad “n” es función de los estados de carga del pilote, así será: n= 2 → para estados de carga poco probables n= 2,5 → para estados de carga medianamente probables n= 3 → para estados de carga muy probables
Luego será:
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Q1= Q1/n Cátedra de Hormigón II
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2) CALCULO DE LA CARGA ESTRUCTURAL “Q2” Es función de la calidad de los materiales y el modo de ejecución Para Pilotes Prefabricados de Hormigón:
Q2 = 0,25.f´c.Bc + 0,40.fy.As
Para Pilotes de H° moldeados “in situ” en medio seco con tuberías:
Q2 = 0,22.f´c.Bc + 0,35.fy.As
Para Pilotes de H° moldeados “in situ” en medio liquido con tuberías (dentro de lodos bentoníticos)
Q2 = 0,20.f´c.Bc + 0,32.fy.As
Siendo: f´c = resistencia característica del hormigón; B c = Sección Transversal del pilote fy= tensión de fluencia del acero; A s = Área de la sección del acero longitudinal del pilote Agosto de 2014
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3) CALCULO DE LA CARGA POR DEFORMACION ISIBLE “Q3”
Como su nombre lo indica, esta carga está marcada por la exigencia de obtener una deformación compatible con el “asentamiento máximo isible de la cimentación”. Su calculo no se hará en este curso por ser su evaluación dominio de la Geotecnia y de los especialistas en Mecánica de Suelos, por la fuerte interacción suelo – pilotes que se presenta en su evaluación, especialmente cuando se usan en grupo y solicitados por cargas horizontales, aún cuando se trate de fuerzas modestas. Agosto de 2014
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Entonces la máxima carga isible para el diseño de un pilote será la menor de las obtenidas:
“Q ”<
Q
Q
1
y
2
Según J. Montoya, el mejor procedimiento para estimar la carga isible de un pilote es un ensayo de carga. Por ello, y teniendo en cuenta la relación costo–beneficio del caso, ya que su ejecución implica tiempos y costos elevados, será importante especificar la ejecución de dicho ensayo en los primeros momentos de la Obra con el objeto de verificar el comportamiento de los pilotes respecto al esperado por el Proyecto. Esto podría significar importantes economías a la Obra en el caso de obtenerse resultados superadores al Proyecto o permitir su oportuna corrección en el caso de evidenciarse déficit en los requerimientos de carga o de los asentamientos exigidos. Agosto de 2014
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CALCULO DE ESFUERZOS EN LOS PILOTES El Reglamento CIRSOC 201 - Cap.15: Zapatas y Cabezales de Pilotes, – Pag. 369, expresa: 15.2. CARGAS Y REACCIONES 15.2.1. Las zapatas y los cabezales se deben diseñar para resistir las cargas mayoradas y las reacciones inducidas, de acuerdo con los requisitos de diseño que se exigen en este Reglamento y en este Capítulo 15. 15.2.2. El área de la zapata, o el número y la distribución de pilotes, se debe determinar a partir de las fuerzas y momentos no mayorados transmitidos al suelo o a los pilotes a través de la zapata ó del cabezal, y la tensión isible del suelo o la capacidad isible de los pilotes se Agosto de 2014 Cátedra de Hormigón II 29
CALCULO DE ESFUERZOS EN LOS PILOTES HIPOTESIS FUNDAMENTAL: “Los Pilotes funcionan como biarticulados” → Pilotes → Bielas → Esfuerzos Normales → Esfuerzos de flexión→ Son esfuerzos secundarios → despreciados. Ello, en virtud de la gran flexibilidad que poseen los pilotes por su elevada esbeltez, ya que realmente no están biarticulados, sino empotrados en el cabezal y en algunos casos parcialmente en terreno cuando éste tiene la resistencia suficiente. Además de la hipótesis anterior se plantean dos más, que son: El cabezal de vinculación es infinitamente rígido
Todos los pilotes que concurren a un mismo cabezal tienen la misma longitud
Las dos últimas hipótesis aseguran la misma deformación para el pilotaje analizado !!! Agosto de 2014
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Entonces, para el caso de los sistemas isostáticos planos, las cargas en los pilotes se obtienen simplemente descomponiendo la resultante de las cargas actuantes en vectores que actúan según los ejes de los pilotes.
Como se observa, es necesario solo descomponer la resultante de V y H en las dos direcciones de los pilotes 1 y 2.-
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En este caso, es necesario descomponer la fuerza inclinada F en las 3 direcciones de los ejes de los pilotes 1, 2 y 3, que se hace mediante el método de Culman. En cualquiera de los dos casos vistos anteriormente, se pueden sustituir por su resultante varios pilotes paralelos y próximos entre si. Agosto de 2014
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Cuando en el pie de la columna se tiene una carga vertical y un momento actuante en la dirección de uno de sus ejes, es aconsejable disponer como mínimo de 2 pilotes orientados en la dirección de la cupla. La reacción por pilote será:
Deberá verificarse que la Rpmax no sobrepase la capacidad de carga isible del pilote y que la Rpmin no sea negativa, en cuyo caso es necesario considerar la capacidad del pilote trabajando a tracción. Agosto de 2014
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Una cantidad de pilotes verticales mayor que dos, que no estén alineados, representa un caso que en general es hiperestático. Entonces, bajo las hipótesis anteriores, es decir de pilotes de igual longitud, de dirección paralela a las cargas actuantes, distribuidos regularmente con simetría radial o axial respecto del centro de gravedad del conjunto de pilotes, empotrados en un cabezal de rigidez infinita, podemos obtener la carga de un pilote cualquiera de coordenadas (xi, yi) aplicando una formula análoga a la de flexión compuesta, vista en Resistencia de Materiales.
Donde Niz = carga de un pilote cualquiera, producida por la carga vertical Fz. Fz = Carga Vertical (incluy . peso encepado y carga de suelo) ex, ey= excentricidades de la carga Fz n= número de pilotes verticales iguales
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Ix=
Syi2 =Mto de Inercia del pilotaje respecto al eje OX, que pasa por el CG “0”
Iy=
Sxi2 =Mto de Inercia del pilotaje respecto al eje OY, que pasa por el CG “0”
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Si, además actúa una fuerza horizontal Fa, será necesario inclinar algunos de los pilotes un ángulo bi, con respecto a la vertical, tal que:
Entonces, la carga que toma cada pilote inclinado será:
Como lo expresa la primera ecuación, todos los pilotes inclinados suministrarán las componentes horizontales necesa-rias para absorber Fa. Si la carga horizontal Fa cambia de sentido se deberán disponer de pilotes inclinados en sentido contrario. No será necesario disponer pilotes inclinados si las fuerzas horizontales se deben exclusivamente al viento y no sobrepasan el 5% de las cargas verticales Agosto de 2014
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La carga total del pilote se obtiene sumando a la carga transmitida por el encepado, el peso propio del pilote y el rozamiento negativo Este último se presenta en los pilotes columna, situados en terrenos compresibles y se puede evaluar:
R = 0,25 . u. (qo+g. l2/2)
Donde u = perímetro del pilote qo= sobrecarga unitaria en la superficie del terreno l = longitud del pilote g = peso específico del terreno.
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DIMENSIONAMIENTO DE PILOTES LONGITUD: Si el pilote trabaja de punta, se tendrá en cuenta la profundidad del estrato resistente. A esa longitud deberá sumarse el equivalente a 5 diámetros y no menos de 2,50 m para considerar como penetración mínima en ese estrato, salvo que sea roca en cuyo caso podrá ser menor. Si el pilote trabaja por rozamiento, su longitud será la necesaria para proporcionar la resistencia requerida de acuerdo a los datos que indique el estudio de suelos. SECCION: Como se vio en la determinación de la carga isible del pilote, la sección de hormigón del pilote está marcada por consideraciones resistentes en su trabajo como columna. Se adoptan secciones cuadradas por tener a igualdad de área con una sección circular, mayor inercia y perímetro, lo que le brinda mayor posibilidad de resistir por rozamiento. Secc. habitual 30 a 45 cm de lado. Agosto de 2014
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Se adoptan secciones circulares por su construcción. Sus diámetros mas comunes van de 45 a 80 cm. 38
ESFUERZOS Como se vio, se deben considerar: La carga axil de la superestructura y eventualmente los momentos flectores y los esfuerzos de corte transmitidos por el cabezal, El peso propio El rozamiento negativo, si lo hay. En pilotes que trabajan de punta, los esfuerzos de pandeo En pilotes hincados, las acciones dinámicas durante el proceso de hinca. Los posibles empujes horizontales del terreno y otras cargas. En pilotes prefabricados, los esfuerzos de transporte y manejo →
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ARMADURAS LONGITUDINALES Y TRANSVERSALES
Cant. Min. Barras Long.: 4 en zona sísmica 0 y de 6 p/zonas sísmicas 1y 2. Diám. Min. Barras Long.: 12 mm Cuantías entre 1 y 2 %, según esbeltez lp/ø, ya visto. Cabe acotar que el Reglamento Cirsoc 103 de Const. Sismoresistentes indica que para las zonas sísmicas 1 y 2 la cuantía mínima es de 0,010 (1%) para este tipo de Pilotes. Recubrimiento Min.: 4 cm Diám. Min. Barras Transversales : 2/5.Øl y Øtmin=6 mm para zona sismica 0 y de 8 mm para zonas sísmicas 1 y 2. Separación cercos transversales: smax: 12.Øl y < 25 cm. Reforzar la cabeza y la punta del pilote en una longitud de hasta 3.Øp o 1 m como mínimo, densificando los estribos con una separación de 5 cm a los efectos de otorgarles ductilidad. También en la punta del pilote suele colocarse un azuche metálico cuando las condiciones del terreno en el que se lo hinca lo requiera. Agosto de 2014
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Cant. Min. Barras Long.: 6 Diám. Min. Barras Long.: 12 mm Cuantía armadura longitudinal: > 0,5 % según J. Montoya. Cabe acotar que el Reglamento Cirsoc 103 de Const. Sismoresistentes indica que para las zonas sísmicas 1 y 2 la cuantía mínima será de 0,003 (0,3%) para estos tipo de pilotes ejecutados in-situ. Recubrimiento Min.: de 5 a 7 cm. Diám. Min. Barras Transversales : 2/5.Øl y Øtmin=6 mm para zona sismica 0 y de 8mm para zonas sismicas 1y2. Separación cercos transversales: smax: 12.Øl y < 25 cm. En ambos tipos de pilotes las tensiones de trabajo de las armaduras deben ser reducidas. Se recomienda no superar 1/3.fy Los pilotes que puedan estar sometidos a tracción, deben dimensionarse para un esfuerzo igual a 1,5 veces la tracción máxima, considerando solo la armadura longitudinal trabajando a una tensión de 0,5 fy. Agosto de 2014
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DIMENSIONADO PILOTE - CABEZAL En general, para la cimentación de una obra es frecuente adoptar un determinado tipo de pilote con una carga isible dato. Determinado su número se disponen simétricamente los pilotes bajo los cabezales que reciben las columnas o pilares de la superestructura. Cantidad Mínima de Pilotes: Deben adoptarse 3 para zapatas aisladas que soportan un pilar, si no están arriostradas transversalmente, en cuyo caso puede bajarse a 2. Separación entre pilotes : No menor de 75 cm entre ejes. Si son circulares, se toma 2.Øp < l < 3.Øp, y si son cuadrados se toma una separación de 1,75 veces la diagonal. Cuando se tienen problemas de alineación o se usan pilotes inclinados se recomienda aumentar la separación a Lp/15 Según Cirsoc 201-05 (Art. 15.7), la altura del cabezal no debe ser menor de 30 cm por encima del nivel de la armadura traccionada. Los pilotes deberán empotrarse en el cabezal un mínimo de 10 cm y éste deberá sobresalir un mínimo de 20 cm sobre el borde de los pilotes. Según expresa J. Montoya, para calcular al cabezal como rígido es necesario que sea t <= 1,5.h. Tomando la condición de igual a 1,5.h, se obtendría para el ángulo de inclinación de la biela comprimida un valor de a= 33°, valor sensiblemente menor al recomendado en la teoría del método de las bielas, como límite para la aplicación del mismo, la condición de 40°< a < 55°. Agosto de 2014
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ESQUEMA PILOTE - CABEZAL Con la adopción del Método de las Bielas, para el diseño del cabezal se cumplen simultáneamente las condiciones de rigidez recomendadas a la vez que se satisfacen las exigencias de corte y punzonado automáticamente, sin producirse fenómenos de flexión. Así, cuando 45°< a <55°, se materializa eficazmente el mecanismo de transmisión de fuerzas tipo biela, es decir se generan bielas de compresión inclinadas entre columna y pilotes. Las componentes horizontales de estas bielas se absorben con armaduras que actúan como tensores. Inclinaciones de bielas con a < 40° dan cabezales de poca altura, obteniéndose resultados inciertos con coeficientes de seguridad reducidos, recomendándose en este caso el cálculo del cabezal como flexible. Es decir como una zapata sometida a flexión, verificándose además el corte y el punzonado. Inclinaciones de bielas superiores a 55° también dan resultados poco aceptables con bajos coeficientes de seguridad, agravado por el hecho de no ser posible utilizar plenamente la resistencia de las armaduras de tracción. Agosto de 2014
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La armadura de los tensores se dispone sobre los pilotes y está fuertemente comprimida en dirección vertical en la zona de anclaje ubicada por encima de los mismos, de modo que en general son suficientes los extremos rectos, sin ganchos. Se dimensionará la capacidad mecánica de la armadura principal “U” = Ns, para el caso de un cabezal de 2 pilotes verticales:
Expresión que coincide en un todo con la presentada en Tabla 21.1 – Pilotajes Tipo, de J. Montoya, para el mismo caso analizado. Agosto de 2014
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Generalmente dicha armadura es suficiente, porque en estas “vigas cortas” o estructuras atirantadas, aparte de los esfuerzos de tracción del cordón inferior, no aparecen “tracciones por corte” significativas.
Si disponer la armadura U en una sola capa resulta una separación de barras muy reducida (e<2.Øb), entonces es preferible disponer esta en varias capas, en lugar de colocar algunas barras hacia afuera de los pilotes. Como en las vigas de gran altura, en este caso, puede o debe ubicarse la armadura en su totalidad sobre una altura de 0,10 a 0,20.d. Para grandes concentraciones de armaduras se recomienda colocar algunos estribos envolventes en la zona de anclaje. Agosto de 2014
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Si la carga se distribuye espacialmente sobre 3 o más pilotes, es decir repartida en varias direcciones, las bielas de compresión se forman naturalmente desde la carga hasta los pilotes, pues ellos constituyen los apoyos rígidos más cercanos. En consecuencia, las barras de la armadura de tracción deben disponerse uniendo las cabezas de los pilotes en la dirección de la menor separación, atensorando las bielas comprimidas, a fin de completar materialmente el reticulado espacial ideal de diseño. Es decir que, dentro de lo posible, las armaduras deben concentrarse sobre los pilotes y no distribuirse en forma uniforme sobre el ancho del cabezal.
---Las líneas rojas muestran
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bielas formadas por la carga, que se dirigen hacia
los apoyos formando un tetrápodo. ---Las líneas azules muestran bielas formadas por la carga, que se dirigen hacia el centro de la armadura traccionada. Cátedra de Hormigón II 48
Las experiencias han demostrado que, aunque la armadura se disponga entre pilotes, parte del esfuerzo de compresión de las bielas actúa también allí. como se muestra en el esquema y comprime el tensor hacia abajo, porque a la estructura atirantada le falta apoyo en dicho lugar. En el caso de grandes separaciones entre pilotes (l > 3 Ø) no puede dejarse de armar la zona entre pilotes por lo expresado anteriormente, entonces es necesario disponer en el borde una armadura de suspensión para DV, como en el caso del apoyo indirecto.
Dicha armadura de suspensión debe dimensionarse en total (suma entre todos los pilotes) para un esfuerzo de intensidad igual a P/(1,5.n) (con n > 3 = número de pilotes). Agosto de 2014
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En consecuencia, si no se arma adecuadamente el tramo, se originan fisuras que conducen a una rotura prematura, porque la zona desplazada hacia abajo y hacia afuera tiende a arrancar la malla de armadura aún en las proximidades de los pilotes, como se muestra →
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Para grandes cargas y dimensiones, por ejemplo en pilotajes de grandes pilares de puentes, resulta frecuentemente más favorable utilizar tensión previa en lugar de armadura de acero para hormigón, sobre todo cuando en el caso de esta última, se requiere disponer varias capas de barras gruesas, las que, por el peligro de arrancamiento por falta de adherencia en la zona de anclaje, deben colocarse con separaciones verticales bastante grandes o para las cuales es necesario disponer armaduras adicionales de zunchaje contra el estallido del hormigón. Si se adopta el método de la bielas para el diseño del cabezal, se deberá verificar en los extremos de la biela de compresión el cumplimiento de la ecuación:
Siendo: Ø = 0,75 Fn= Resistencia Nominal de la Biela de Compresión= 0,85.f´ c.A Con: f´c: resistencia a compresión especificada para el hormigón. A: Áreas de la columna y del pilote proyectadas normalmente al eje de la biela, Acol/sena y Apil/sen a. Fu= esfuerzos en los extremos de la biela producidos por las cargas mayoradas de la columna, N u/sena, y del Pilote Nu/2.sena. Agosto de 2014
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A veces se ha supuesto que parte de la carga a sustentar es transferida al suelo por los pilotes, y parte directamente por el cabezal. Debe ser remarcado el hecho de que el cabezal no puede transferir cargas al suelo hasta que la carga en todos los pilotes no se aproxima a su capacidad límite.
En efecto, como los pilotes están rígidamente unidos al cabezal, si éste actúa sobre el suelo sufrirá un descenso, y con él los pilotes. Como regla general se puede sostener que un pequeño descenso inicial en los pilotes bastará para movilizar no solo la resistencia friccional, sino también la mayor parte de la resistencia de punta. Por lo tanto, el cabezal no podrá ejercer presión alguna sobre el suelo ubicado inmediatamente por debajo hasta que la carga en los pilote exceda el punto de fluencia de éstos. La carga total a considerar es la transmitida por la columna, el peso propio y aún el peso del suelo por encima del cabezal, si se encuentra profundo. Si estas cargas son axiles o sea centrada con el cabezal y el grupo de pilotes, se puede considerar que todos están igualmente cargados. Como se mencionó precedentemente, se incluye la Tabla siguiente, donde se especifican el valor de la altura del cabezal, la determinación de la armadura principal de tracción, la secundaria y también las expresiones necesarias para hacer el control de las bielas de compresión para los casos más comunes de pilotajes, similares en esencia a las que se expresaron precedentemente con el formato del Cirsoc 201/05. Agosto de 2014
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Cimentaciones de Hormigón Armado – Libro Jiménez Montoya – Pag. 495 TABLA 21.4 - PILOTAJES TIPO
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FUNDACIONES INDIRECTAS o PROFUNDAS (Df/B>10 con Df: profundidad del cimiento y B: lado menor del cimiento)
•
Estas resultan necesarias, seguras, prácticas y económicas, cuando:
1. Se deba fundar sobre un terreno de escasa capacidad portante hasta gran profundidad, 2. Las capas de suelo resistente están a profundidades mayores de 5 o 6 metros, 3. Hay que descargar cargas verticales de gran envergadura, 4. Es necesario resistir acciones horizontales de cierta importancia, 5. Hay presencia de gran cantidad de agua subterránea a escasa profundidad. Agosto de 2014
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TIPOS DE CIMENTACIONES PROFUNDAS
a) Pilotes: Df/ø > 8 b) Pilas: Df/ø <= 4 → se usan en suelos firmes c) Cilindros de Fundación d) de Cajones de FundaciónCátedra → Sedeusan enIIaguas profundas Agosto 2014 Hormigón
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Generalidades •
Además de los esquemas de cimentaciones profundas mostradas, se mencionan los muros colados o muros pantalla, que también cumplen la función de recalce y/o cerramiento de excavaciones para subsuelos, que se verán con algún detalle en el tema muros de sostenimiento.
•
De todos ellos, se considerarán los Pilotes por ser la alternativa mas usada en nuestro medio por brindar una rápida, económica y efectiva respuesta al requerimiento de las cimentaciones profundas.
•
Con relación al Proyecto de Pilotes es destacable mencionar que no existe en el país un reglamento normativo al respecto y que cada proyectista o empresa ejecutora, se guían por distintas normas, generalmente europeas o norteamericana.
•
En cambio, el Cirsoc 201-2005, rige para todo lo concerniente a la calidad, recepción, control y aceptación de los materiales utilizados en la elaboración del hormigón armado y pretensado a usar en pilotes y sus cabezales , como también en la disposición, doblado y recubrimiento de las armaduras a utilizar en los mismos.
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PILOTES
• Los Pilotes son elementos estructurales prismáticos o cilíndricos esbeltos (l/a ó l/ø > 8) que se introducen profundamente en el terreno en forma vertical o inclinada para formar parte de una cimentación que trabajando a modo de columna empotrada superiormente en un cabezal o encepado, transmite eficazmente las cargas de la superestructura al suelo. • El cabezal rígido, de forma prismática acorde a la distribución de los pilotes que llegan a él, reparte uniformemente las cargas a los mismos.
• Asimismo y para cortar la longitud de pandeo del conjunto columna-pilote y evitar la formación de una libre articulación en la unión de la columna con el cabezal, se deben rigidizar los cabezales uniéndolos mediante riostras, como mínimo en 2 direcciones ortogonales, salvo que dicha vinculación se realice con una losa de espesor mínimo de 20 cm. Agosto de 2014
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Diferencias con las columnas: a) Menor peligro de pandeo, y b) Menor capacidad de carga. a) Se debe al impedimento que el terreno produce al movimiento lateral, disminuyendo mucho el peligro de Pandeo, aún que el terreno sea muy blando, especialmente cuando trabaja por fricción lateral. Según J.M., cuando el pilote trabaja de punta deberá tomarse como longitud de pandeo: ) La longitud total del pilote “Lp”, para suelos de poca consistencia, ) 2/3.Lp, para suelos de consistencia media, y ) 1/3.Lp, para suelos de buena consistencia.
b)
Esta 2° diferencia se debe a que en los pilotes “in-situ“ no puede garantizarse la calidad de los materiales usados (H° y A°) por las circunstancias que rodean su ejecución y en cuanto a los pilotes prefabricados hincados, el trato que reciben es tan duro que pueden provocar fisuras. Por tal motivo y como se verá en mayor detalle luego, las tensiones de trabajo del acero y del hormigón son tomadas con valores muy reducidos respecto de sus valores nominales.
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FUNCIONES BASICAS DE LOS PILOTES 1.
Transmitir, trabajando por punta, como una columna, superestructura, hasta un estrato firme del subsuelo.
las
cargas
de
la
2.
Distribuir cargas concentradas de gran magnitud, por adherencia o fricción, en suelos homogéneos de espesor considerable.
3.
Densificar y compactar suelos sueltos sin cohesión, incrementando su resistencia.
4.
Resistir cargas horizontales o inclinadas, debidas al viento, sismos o empujes actuando sobre la superestructura.
5.
Anclar estructuras, evitando que se inclinen o vuelquen.
6.
Controlar los asentamientos, cuando los suelos son compresibles o expansivos.
7.
Transmitir las cargas de las estructuras marítimas o fluviales hasta el suelo firme, por debajo del nivel de las aguas.
8.
Proteger la cimentación de los daños producidos por la socavación en el lecho de lagos, ríos o mares.
9.
Formar pantallas impermeables, colocadas en fila, en o entre si o tablestacas para resistir el empuje lateral de tierras o del agua, actuando como muros de contención o presas temporales.
10. Estabilizar taludes, evitando el deslizamiento de laderas y controlar los movimientos del terreno. Agosto de 2014
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TIPOS DE PILOTES •
Existen numerosas clasificaciones de pilotes, discriminados por su material, construcción, colocación, forma de hinca, sección, funcionamiento, dirección, cantidad, vinculación, etc.
•
Dado su uso mas extensivo en el país, se tratarán los pilotes de hormigón armado en sus formas prefabricada, in situ y mixtos.
PILOTES PREFABRICADOS • •
Se hincan en el terreno mediante máquinas del tipo martillo. Son relativamente caros, ya que deben ir fuertemente armados para resistir su transporte, izado e hinca. • Tienen el inconveniente de las vibraciones y contaminación sonora producida durante su hinca. • Tienen la ventaja, una vez fabricados, la rapidez de su colocación y puesta en servicio de la Obra. Pueden ser ejecutados con H° P°. • Su hinca constituye una buena prueba de carga Agosto de 2014
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Se recomienda que la armadura longitudinal, cumpla con las siguientes cuantías mínimas: r = 1,00 % cuando la relación Lp/ø < 30 r = 1,25 % cuando la relación Lp/ø = 30 r = 1,50 % cuando la relación Lp/ø > 30 y <= 40 r = 2,00 % cuando la relación Lp/ø > 40
Tiempo medio de fraguado: 14 a 28 días. Cabe acotar que los martinetes son reemplazados por hincadoras del tipo Delmag Diesel que aplican la energía equivalente a la causada por la caída del pilón desde una determinada altura con reducción de vibraciones y ruidos. A medida que el pilote penetra en el terreno, aumenta la resistencia por fricción, por lo que el criterio de rechazo, se determina a partir de que a igual cantidad de golpes, la penetración es menor. Así, se define el RECHAZO ABSOLUTO, que en la colocación de pilotes determina el fin del hincado y salvo disposiciones particulares, generalmente se registra cuando en las dos (2) últimas andanadas de diez (10) golpes se acusa una penetración de tres (3) cm. Este dato, como el de Penetración Promedio (cm) se extrae del estudio de suelos. Agosto de 2014
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PILOTES MOLDEADOS IN SITU Se ejecutan en perforaciones practicadas previamente con sondas de tipo rotativo, ya sea a trépano o con hélice continua, con o sin camisa o lodos bentoníticos, dependiendo de las condiciones del terreno en que se pretenda fundar. Generalmente son de mayor diámetro que los prefabricados (hasta 2,00 m) y resisten mayores cargas (hasta 2.000 tn). El lodo bentonítico es una arcilla formada por silicatos (59% sílice, 15% aluminio, 7% hierro, titanio, calcio, magnesio, sodio y potasio) que se expende en forma de polvo. Su propiedad mas importante es henchirse extraordinariamente aumentando varias veces su volumen con el agua (Lim. Liq.= 500 %). Su densidad varia entre 1,06 y 1,14 gr/cm³. Sus partículas coloidales en suspensión penetran en el suelo de las paredes de la perforación y por efecto de la tixotropía se convierten en un gel plástico, otorgando cohesión y disminuyendo la permeabilidad, formando una costra o torta de varios centímetros de espesor que estabilizan de forma duradera las paredes del pozo, evitando su derrumbe y posibilitando el hormigonado del pilote.
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•
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Se aconseja la lectura y la comparación de las recomendaciones anteriores con la de la página siguiente donde se expresan las exigencias del Cirsoc respecto de las características del hormigón a usar en pilotes colados bajo agua.
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PILOTES CARGA ISIBLE DE UN PILOTE “Q” Actualmente, las cargas isibles de los pilotes varían de 30 a 2000 Tn, dependiendo del tipo y diámetro del pilote, mencionándose que cuando trabajan a tracción estas cargas se ven sensiblemente disminuidas. En consecuencia, la carga isible dependerá de la sección del pilote, de las calidades de los materiales a utilizar, de la solicitación y de las condiciones del suelo en el se pretenda fundar.
Determinaremos : 1) CALCULO DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO “Q1” 2) CALCULO DE LA CARGA ESTRUCTURAL “Q2” 3) CALCULO DE LA CARGA POR DEFORMACION ISIBLE “Q3” Agosto de 2014
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1) CALCULO DE LA CARGA DE HUNDIMIENTO “Q1”
Q = Q + Q = q .A + q .A 1
p
f
p
p
f
f
Donde: Qp= Resistencia de Punta y Ap= Área de la punta Qf = Resistencia del Fuste y Af = Área del fuste
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Según el criterio de Meyerhof: “LA CARGA ISIBLE ES TRANSMITIDA SOLO POR LA PUNTA DEL PILOTE” Luego será →
Q1 = Qp = qp.Ap Siendo: qp = resistencia unitaria = po.Nq
Además: po= Presión efectiva en Df = S gi*hi Nq= Factor capacidad de carga = Ø = Coeficiente de fricción drenado=1 Agosto de 2014
N =Número de golpes del ensayo STP Cátedra de Hormigón II
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Asimismo Delft, al igual que Jiménez Montoya, utilizan el ensayo de penetración de Terzaghi o STP para el cálculo de la carga de hundimiento del pilote :
Q1 = Qp + Qf = qp.Ap + qf.Af Siendo: qp = 4.N [kg/cm²] ; Ap = Área de la punta del pilote qf = N/100 [kg/cm²] , con N =Número de golpes del ensayo STP ; A f = Área del fuste del pilote Expresiones que coinciden con J.M., pag 489 “Cimentaciones de H°A°”, como: Nu = 4.N.Ap + (Nm/100) . Af → para pilotes perforados. → Hay además, una expresión p/pilotes hincados. IMPORTANTE: Revisar los significados de cada termino para la utilización de las expresiones. Se recomienda, para mayor seguridad, calcular la carga de hundimiento por ambos criterios (Meyerhoff – Delft ó J. Montoya). Agosto de 2014
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Como esta carga es de hundimiento, es decir aquella carga que produce la fluencia del suelo en la punta del pilote y el deslizamiento del fuste, situación a la que no queremos llegar. Para evitarlo tomaremos una seguridad para trabajar con una carga isible al hundimiento. Dicho coeficiente de seguridad “n” es función de los estados de carga del pilote, así será: n= 2 → para estados de carga poco probables n= 2,5 → para estados de carga medianamente probables n= 3 → para estados de carga muy probables
Luego será:
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Q1= Q1/n Cátedra de Hormigón II
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2) CALCULO DE LA CARGA ESTRUCTURAL “Q2” Es función de la calidad de los materiales y el modo de ejecución Para Pilotes Prefabricados de Hormigón:
Q2 = 0,25.f´c.Bc + 0,40.fy.As
Para Pilotes de H° moldeados “in situ” en medio seco con tuberías:
Q2 = 0,22.f´c.Bc + 0,35.fy.As
Para Pilotes de H° moldeados “in situ” en medio liquido con tuberías (dentro de lodos bentoníticos)
Q2 = 0,20.f´c.Bc + 0,32.fy.As
Siendo: f´c = resistencia característica del hormigón; B c = Sección Transversal del pilote fy= tensión de fluencia del acero; A s = Área de la sección del acero longitudinal del pilote Agosto de 2014
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3) CALCULO DE LA CARGA POR DEFORMACION ISIBLE “Q3”
Como su nombre lo indica, esta carga está marcada por la exigencia de obtener una deformación compatible con el “asentamiento máximo isible de la cimentación”. Su calculo no se hará en este curso por ser su evaluación dominio de la Geotecnia y de los especialistas en Mecánica de Suelos, por la fuerte interacción suelo – pilotes que se presenta en su evaluación, especialmente cuando se usan en grupo y solicitados por cargas horizontales, aún cuando se trate de fuerzas modestas. Agosto de 2014
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Entonces la máxima carga isible para el diseño de un pilote será la menor de las obtenidas:
“Q ”<
Q
Q
1
y
2
Según J. Montoya, el mejor procedimiento para estimar la carga isible de un pilote es un ensayo de carga. Por ello, y teniendo en cuenta la relación costo–beneficio del caso, ya que su ejecución implica tiempos y costos elevados, será importante especificar la ejecución de dicho ensayo en los primeros momentos de la Obra con el objeto de verificar el comportamiento de los pilotes respecto al esperado por el Proyecto. Esto podría significar importantes economías a la Obra en el caso de obtenerse resultados superadores al Proyecto o permitir su oportuna corrección en el caso de evidenciarse déficit en los requerimientos de carga o de los asentamientos exigidos. Agosto de 2014
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CALCULO DE ESFUERZOS EN LOS PILOTES El Reglamento CIRSOC 201 - Cap.15: Zapatas y Cabezales de Pilotes, – Pag. 369, expresa: 15.2. CARGAS Y REACCIONES 15.2.1. Las zapatas y los cabezales se deben diseñar para resistir las cargas mayoradas y las reacciones inducidas, de acuerdo con los requisitos de diseño que se exigen en este Reglamento y en este Capítulo 15. 15.2.2. El área de la zapata, o el número y la distribución de pilotes, se debe determinar a partir de las fuerzas y momentos no mayorados transmitidos al suelo o a los pilotes a través de la zapata ó del cabezal, y la tensión isible del suelo o la capacidad isible de los pilotes se Agosto de 2014 Cátedra de Hormigón II 29
CALCULO DE ESFUERZOS EN LOS PILOTES HIPOTESIS FUNDAMENTAL: “Los Pilotes funcionan como biarticulados” → Pilotes → Bielas → Esfuerzos Normales → Esfuerzos de flexión→ Son esfuerzos secundarios → despreciados. Ello, en virtud de la gran flexibilidad que poseen los pilotes por su elevada esbeltez, ya que realmente no están biarticulados, sino empotrados en el cabezal y en algunos casos parcialmente en terreno cuando éste tiene la resistencia suficiente. Además de la hipótesis anterior se plantean dos más, que son: El cabezal de vinculación es infinitamente rígido
Todos los pilotes que concurren a un mismo cabezal tienen la misma longitud
Las dos últimas hipótesis aseguran la misma deformación para el pilotaje analizado !!! Agosto de 2014
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Entonces, para el caso de los sistemas isostáticos planos, las cargas en los pilotes se obtienen simplemente descomponiendo la resultante de las cargas actuantes en vectores que actúan según los ejes de los pilotes.
Como se observa, es necesario solo descomponer la resultante de V y H en las dos direcciones de los pilotes 1 y 2.-
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En este caso, es necesario descomponer la fuerza inclinada F en las 3 direcciones de los ejes de los pilotes 1, 2 y 3, que se hace mediante el método de Culman. En cualquiera de los dos casos vistos anteriormente, se pueden sustituir por su resultante varios pilotes paralelos y próximos entre si. Agosto de 2014
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Cuando en el pie de la columna se tiene una carga vertical y un momento actuante en la dirección de uno de sus ejes, es aconsejable disponer como mínimo de 2 pilotes orientados en la dirección de la cupla. La reacción por pilote será:
Deberá verificarse que la Rpmax no sobrepase la capacidad de carga isible del pilote y que la Rpmin no sea negativa, en cuyo caso es necesario considerar la capacidad del pilote trabajando a tracción. Agosto de 2014
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Una cantidad de pilotes verticales mayor que dos, que no estén alineados, representa un caso que en general es hiperestático. Entonces, bajo las hipótesis anteriores, es decir de pilotes de igual longitud, de dirección paralela a las cargas actuantes, distribuidos regularmente con simetría radial o axial respecto del centro de gravedad del conjunto de pilotes, empotrados en un cabezal de rigidez infinita, podemos obtener la carga de un pilote cualquiera de coordenadas (xi, yi) aplicando una formula análoga a la de flexión compuesta, vista en Resistencia de Materiales.
Donde Niz = carga de un pilote cualquiera, producida por la carga vertical Fz. Fz = Carga Vertical (incluy . peso encepado y carga de suelo) ex, ey= excentricidades de la carga Fz n= número de pilotes verticales iguales
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Ix=
Syi2 =Mto de Inercia del pilotaje respecto al eje OX, que pasa por el CG “0”
Iy=
Sxi2 =Mto de Inercia del pilotaje respecto al eje OY, que pasa por el CG “0”
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Si, además actúa una fuerza horizontal Fa, será necesario inclinar algunos de los pilotes un ángulo bi, con respecto a la vertical, tal que:
Entonces, la carga que toma cada pilote inclinado será:
Como lo expresa la primera ecuación, todos los pilotes inclinados suministrarán las componentes horizontales necesa-rias para absorber Fa. Si la carga horizontal Fa cambia de sentido se deberán disponer de pilotes inclinados en sentido contrario. No será necesario disponer pilotes inclinados si las fuerzas horizontales se deben exclusivamente al viento y no sobrepasan el 5% de las cargas verticales Agosto de 2014
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La carga total del pilote se obtiene sumando a la carga transmitida por el encepado, el peso propio del pilote y el rozamiento negativo Este último se presenta en los pilotes columna, situados en terrenos compresibles y se puede evaluar:
R = 0,25 . u. (qo+g. l2/2)
Donde u = perímetro del pilote qo= sobrecarga unitaria en la superficie del terreno l = longitud del pilote g = peso específico del terreno.
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DIMENSIONAMIENTO DE PILOTES LONGITUD: Si el pilote trabaja de punta, se tendrá en cuenta la profundidad del estrato resistente. A esa longitud deberá sumarse el equivalente a 5 diámetros y no menos de 2,50 m para considerar como penetración mínima en ese estrato, salvo que sea roca en cuyo caso podrá ser menor. Si el pilote trabaja por rozamiento, su longitud será la necesaria para proporcionar la resistencia requerida de acuerdo a los datos que indique el estudio de suelos. SECCION: Como se vio en la determinación de la carga isible del pilote, la sección de hormigón del pilote está marcada por consideraciones resistentes en su trabajo como columna. Se adoptan secciones cuadradas por tener a igualdad de área con una sección circular, mayor inercia y perímetro, lo que le brinda mayor posibilidad de resistir por rozamiento. Secc. habitual 30 a 45 cm de lado. Agosto de 2014
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Se adoptan secciones circulares por su construcción. Sus diámetros mas comunes van de 45 a 80 cm. 38
ESFUERZOS Como se vio, se deben considerar: La carga axil de la superestructura y eventualmente los momentos flectores y los esfuerzos de corte transmitidos por el cabezal, El peso propio El rozamiento negativo, si lo hay. En pilotes que trabajan de punta, los esfuerzos de pandeo En pilotes hincados, las acciones dinámicas durante el proceso de hinca. Los posibles empujes horizontales del terreno y otras cargas. En pilotes prefabricados, los esfuerzos de transporte y manejo →
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ARMADURAS LONGITUDINALES Y TRANSVERSALES
Cant. Min. Barras Long.: 4 en zona sísmica 0 y de 6 p/zonas sísmicas 1y 2. Diám. Min. Barras Long.: 12 mm Cuantías entre 1 y 2 %, según esbeltez lp/ø, ya visto. Cabe acotar que el Reglamento Cirsoc 103 de Const. Sismoresistentes indica que para las zonas sísmicas 1 y 2 la cuantía mínima es de 0,010 (1%) para este tipo de Pilotes. Recubrimiento Min.: 4 cm Diám. Min. Barras Transversales : 2/5.Øl y Øtmin=6 mm para zona sismica 0 y de 8 mm para zonas sísmicas 1 y 2. Separación cercos transversales: smax: 12.Øl y < 25 cm. Reforzar la cabeza y la punta del pilote en una longitud de hasta 3.Øp o 1 m como mínimo, densificando los estribos con una separación de 5 cm a los efectos de otorgarles ductilidad. También en la punta del pilote suele colocarse un azuche metálico cuando las condiciones del terreno en el que se lo hinca lo requiera. Agosto de 2014
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Cant. Min. Barras Long.: 6 Diám. Min. Barras Long.: 12 mm Cuantía armadura longitudinal: > 0,5 % según J. Montoya. Cabe acotar que el Reglamento Cirsoc 103 de Const. Sismoresistentes indica que para las zonas sísmicas 1 y 2 la cuantía mínima será de 0,003 (0,3%) para estos tipo de pilotes ejecutados in-situ. Recubrimiento Min.: de 5 a 7 cm. Diám. Min. Barras Transversales : 2/5.Øl y Øtmin=6 mm para zona sismica 0 y de 8mm para zonas sismicas 1y2. Separación cercos transversales: smax: 12.Øl y < 25 cm. En ambos tipos de pilotes las tensiones de trabajo de las armaduras deben ser reducidas. Se recomienda no superar 1/3.fy Los pilotes que puedan estar sometidos a tracción, deben dimensionarse para un esfuerzo igual a 1,5 veces la tracción máxima, considerando solo la armadura longitudinal trabajando a una tensión de 0,5 fy. Agosto de 2014
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DIMENSIONADO PILOTE - CABEZAL En general, para la cimentación de una obra es frecuente adoptar un determinado tipo de pilote con una carga isible dato. Determinado su número se disponen simétricamente los pilotes bajo los cabezales que reciben las columnas o pilares de la superestructura. Cantidad Mínima de Pilotes: Deben adoptarse 3 para zapatas aisladas que soportan un pilar, si no están arriostradas transversalmente, en cuyo caso puede bajarse a 2. Separación entre pilotes : No menor de 75 cm entre ejes. Si son circulares, se toma 2.Øp < l < 3.Øp, y si son cuadrados se toma una separación de 1,75 veces la diagonal. Cuando se tienen problemas de alineación o se usan pilotes inclinados se recomienda aumentar la separación a Lp/15 Según Cirsoc 201-05 (Art. 15.7), la altura del cabezal no debe ser menor de 30 cm por encima del nivel de la armadura traccionada. Los pilotes deberán empotrarse en el cabezal un mínimo de 10 cm y éste deberá sobresalir un mínimo de 20 cm sobre el borde de los pilotes. Según expresa J. Montoya, para calcular al cabezal como rígido es necesario que sea t <= 1,5.h. Tomando la condición de igual a 1,5.h, se obtendría para el ángulo de inclinación de la biela comprimida un valor de a= 33°, valor sensiblemente menor al recomendado en la teoría del método de las bielas, como límite para la aplicación del mismo, la condición de 40°< a < 55°. Agosto de 2014
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ESQUEMA PILOTE - CABEZAL Con la adopción del Método de las Bielas, para el diseño del cabezal se cumplen simultáneamente las condiciones de rigidez recomendadas a la vez que se satisfacen las exigencias de corte y punzonado automáticamente, sin producirse fenómenos de flexión. Así, cuando 45°< a <55°, se materializa eficazmente el mecanismo de transmisión de fuerzas tipo biela, es decir se generan bielas de compresión inclinadas entre columna y pilotes. Las componentes horizontales de estas bielas se absorben con armaduras que actúan como tensores. Inclinaciones de bielas con a < 40° dan cabezales de poca altura, obteniéndose resultados inciertos con coeficientes de seguridad reducidos, recomendándose en este caso el cálculo del cabezal como flexible. Es decir como una zapata sometida a flexión, verificándose además el corte y el punzonado. Inclinaciones de bielas superiores a 55° también dan resultados poco aceptables con bajos coeficientes de seguridad, agravado por el hecho de no ser posible utilizar plenamente la resistencia de las armaduras de tracción. Agosto de 2014
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La armadura de los tensores se dispone sobre los pilotes y está fuertemente comprimida en dirección vertical en la zona de anclaje ubicada por encima de los mismos, de modo que en general son suficientes los extremos rectos, sin ganchos. Se dimensionará la capacidad mecánica de la armadura principal “U” = Ns, para el caso de un cabezal de 2 pilotes verticales:
Expresión que coincide en un todo con la presentada en Tabla 21.1 – Pilotajes Tipo, de J. Montoya, para el mismo caso analizado. Agosto de 2014
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Generalmente dicha armadura es suficiente, porque en estas “vigas cortas” o estructuras atirantadas, aparte de los esfuerzos de tracción del cordón inferior, no aparecen “tracciones por corte” significativas.
Si disponer la armadura U en una sola capa resulta una separación de barras muy reducida (e<2.Øb), entonces es preferible disponer esta en varias capas, en lugar de colocar algunas barras hacia afuera de los pilotes. Como en las vigas de gran altura, en este caso, puede o debe ubicarse la armadura en su totalidad sobre una altura de 0,10 a 0,20.d. Para grandes concentraciones de armaduras se recomienda colocar algunos estribos envolventes en la zona de anclaje. Agosto de 2014
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Si la carga se distribuye espacialmente sobre 3 o más pilotes, es decir repartida en varias direcciones, las bielas de compresión se forman naturalmente desde la carga hasta los pilotes, pues ellos constituyen los apoyos rígidos más cercanos. En consecuencia, las barras de la armadura de tracción deben disponerse uniendo las cabezas de los pilotes en la dirección de la menor separación, atensorando las bielas comprimidas, a fin de completar materialmente el reticulado espacial ideal de diseño. Es decir que, dentro de lo posible, las armaduras deben concentrarse sobre los pilotes y no distribuirse en forma uniforme sobre el ancho del cabezal.
---Las líneas rojas muestran
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bielas formadas por la carga, que se dirigen hacia
los apoyos formando un tetrápodo. ---Las líneas azules muestran bielas formadas por la carga, que se dirigen hacia el centro de la armadura traccionada. Cátedra de Hormigón II 48
Las experiencias han demostrado que, aunque la armadura se disponga entre pilotes, parte del esfuerzo de compresión de las bielas actúa también allí. como se muestra en el esquema y comprime el tensor hacia abajo, porque a la estructura atirantada le falta apoyo en dicho lugar. En el caso de grandes separaciones entre pilotes (l > 3 Ø) no puede dejarse de armar la zona entre pilotes por lo expresado anteriormente, entonces es necesario disponer en el borde una armadura de suspensión para DV, como en el caso del apoyo indirecto.
Dicha armadura de suspensión debe dimensionarse en total (suma entre todos los pilotes) para un esfuerzo de intensidad igual a P/(1,5.n) (con n > 3 = número de pilotes). Agosto de 2014
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En consecuencia, si no se arma adecuadamente el tramo, se originan fisuras que conducen a una rotura prematura, porque la zona desplazada hacia abajo y hacia afuera tiende a arrancar la malla de armadura aún en las proximidades de los pilotes, como se muestra →
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Para grandes cargas y dimensiones, por ejemplo en pilotajes de grandes pilares de puentes, resulta frecuentemente más favorable utilizar tensión previa en lugar de armadura de acero para hormigón, sobre todo cuando en el caso de esta última, se requiere disponer varias capas de barras gruesas, las que, por el peligro de arrancamiento por falta de adherencia en la zona de anclaje, deben colocarse con separaciones verticales bastante grandes o para las cuales es necesario disponer armaduras adicionales de zunchaje contra el estallido del hormigón. Si se adopta el método de la bielas para el diseño del cabezal, se deberá verificar en los extremos de la biela de compresión el cumplimiento de la ecuación:
Siendo: Ø = 0,75 Fn= Resistencia Nominal de la Biela de Compresión= 0,85.f´ c.A Con: f´c: resistencia a compresión especificada para el hormigón. A: Áreas de la columna y del pilote proyectadas normalmente al eje de la biela, Acol/sena y Apil/sen a. Fu= esfuerzos en los extremos de la biela producidos por las cargas mayoradas de la columna, N u/sena, y del Pilote Nu/2.sena. Agosto de 2014
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A veces se ha supuesto que parte de la carga a sustentar es transferida al suelo por los pilotes, y parte directamente por el cabezal. Debe ser remarcado el hecho de que el cabezal no puede transferir cargas al suelo hasta que la carga en todos los pilotes no se aproxima a su capacidad límite.
En efecto, como los pilotes están rígidamente unidos al cabezal, si éste actúa sobre el suelo sufrirá un descenso, y con él los pilotes. Como regla general se puede sostener que un pequeño descenso inicial en los pilotes bastará para movilizar no solo la resistencia friccional, sino también la mayor parte de la resistencia de punta. Por lo tanto, el cabezal no podrá ejercer presión alguna sobre el suelo ubicado inmediatamente por debajo hasta que la carga en los pilote exceda el punto de fluencia de éstos. La carga total a considerar es la transmitida por la columna, el peso propio y aún el peso del suelo por encima del cabezal, si se encuentra profundo. Si estas cargas son axiles o sea centrada con el cabezal y el grupo de pilotes, se puede considerar que todos están igualmente cargados. Como se mencionó precedentemente, se incluye la Tabla siguiente, donde se especifican el valor de la altura del cabezal, la determinación de la armadura principal de tracción, la secundaria y también las expresiones necesarias para hacer el control de las bielas de compresión para los casos más comunes de pilotajes, similares en esencia a las que se expresaron precedentemente con el formato del Cirsoc 201/05. Agosto de 2014
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Cimentaciones de Hormigón Armado – Libro Jiménez Montoya – Pag. 495 TABLA 21.4 - PILOTAJES TIPO
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