13 IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO "CARGA DE HUNDIMIENTO"

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1 13 IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO "CARGA DE HUNDIMIENTO" 13.1 OBJETIVO En este módulo de la aplicación, se pretende obtener la carga de hundimiento del terreno asociada a un pilote aislado. Es decir, la máxima carga que el pilote puede transmitir al terreno sin que este ceda o se rompa. Además, este módulo indica si el terreno soporta una cierta carga de arrancamiento y una carga horizontal en la cabeza del pilote. A continuación mostramos un diagrama donde se muestra de forma esquemática el funcionamiento de este módulo (diagrama 3). NORMATIVA DATOS GEOTÉCNICOS LONGITUD DEL PILOTE MÓDULO CARGA DE HUNDIMIENTO RESISTENCIA AL ARRANCAMIENTO CARGA DE HUNDIMIENTO NÚMERO DE PILOTES DIÁMETRO DEL PILOTE Diagrama 3. Módulo carga de hundimiento. Este es quizás el módulo más complejo de la aplicación pues implementa muchísima formulación teórica y hay que tener en cuenta muchísimos condicionantes que pueden hacer fallar la aplicación. 245

2 Además hay que tener en cuenta otras consideraciones y aproximaciones que sin su uso sería imposible la realización de la aplicación FUNDAMENTOS TEÓRICOS Los fundamentos teóricos en que nos basaremos para la realización de este módulo vienen recogidos en el CTE. El CTE propone diversas alternativas de formulación para hallar la carga de hundimiento de un pilote, y además distingue entre tres tipos de suelo, granulares, cohesivos y rocas. Estableceremos primeramente las bases generales de la formulación y posteriormente particularizaremos para cada tipo de suelo y para cada tipo de método empleado. Para la verificación de este estado límite se utiliza de forma muy general la siguiente expresión. R R γ R R cd Es la resistencia de hundimiento de cálculo del terreno. R ck Es la resistencia del terreno característica. γ R Es el coeficiente de seguridad de minoración de la resistencia del terreno que establece el CTE (Tabla 23, página 241). Situación dimensionado de Tipo Materiales Acciones 246

3 γ R γ M γ E γ F Persistente transitoria o Hundimiento 3 00 (1) Deslizamiento 1 50 (2) Vuelco Acciones estabilizadoras (3) 1 00 Acciones desestabilizadoras Estabilidad global Capacidad - (4) - (4) 1 60 (5) 1 00 estructural Pilotes Arrancamiento Rotura horizontal Pantallas Estabilidad fondo de excavación (6) Sifonamiento Rotación Equilibrio limite (7) 1 00 traslación Modelo winkler (7) 1 00 Elementos finitos Extraordinaria Hundimiento 2 00 (8) Deslizamiento 1 10 (2) vuelco acciones estabilizadoras acciones desestabilizadoras estabilidad global capacidad estructural - (4) - (4) Pilotes Arrancamiento Rotura horizontal Pantallas Rotación o traslación Equilibrio limite Modelo winkler Elementos finitos Tabla 23. Coeficiente de minoración de la resistencia del terreno. Según podemos observar en la tabla anterior, el coeficiente de seguridad para la carga de hundimiento es de 3 cuando la combinación tenida en cuenta es persistente o transitoria y 2 cuando la combinación tenida en cuenta es accidental. En la aplicación se utilizará siempre el coeficiente de seguridad de 3 para el caso de la carga de hundimiento, excepto cuando utilicemos métodos analíticos a largo plazo 247

4 en cuyo caso se utilizará 2. Para el caso del arrancamiento y rotura horizontal utilizaremos siempre 3 5. Pasamos a continuación a calcular R ck. A efectos del CTE, R ck se calcula como sigue: R R R f R pk Es la carga de hundimiento correspondiente a la resistencia por punta. R q A q p Resistencia unitaria por la punta A p Área de la punta R fk Es la carga de hundimiento correspondiente a la resistencia por fuste. R f τ A τ f Resistencia unitaria por el fuste. A f Área del contacto entre el fuste del pilote y el terreno en cada tramo. En este caso supondremos que la resistencia total por fuste es constante por tramos y también lo es la longitud del contorno del pilote en cualquier sección horizontal considerando la resistencia por fuste como un sumatorio con un término por cada tramo. 248

5 Una vez obtengamos la carga de hundimiento de un pilote aislado R, hemos de tener en cuenta el efecto de grupo. El CTE especifica que a partir de grupos de cuatro pilotes la proximidad entre los mismos se traduce en una interacción entre ellos, de tal forma que si el grupo tiene n pilotes, y la carga de hundimiento del pilote aislado es R dk, la carga que produce el hundimiento del grupo, R cdg, en general, no suele ser igual a n R dk, al tener que aplicar a este valor, n R dk, un coeficiente de eficiencia, η, que se define como el cociente: η Carga de hundimiento del grupo n Carga de hundimiento del pilote individual R n R El CTE, se indica que para una distancia de 2 5 D entre pilotes, el coeficiente de eficiencia será Solo nos falta por obtener dos datos. q p Resistencia unitaria por la punta. τ f Resistencia unitaria por el fuste. Para el caso de la resistencia unitaria por fuste, la aplicación la calcula a cada metro de profundidad y hace diferencia entre un estrato cohesivo, granular o rocoso, es decir, lo identifica. El CTE contiene diversos métodos para la obtención de estos parámetros. En esta aplicación no se han considerado todos ellos, pues algunos de ellos utilizan parámetros que en realidad nunca o casi nunca contienen un estudio geotécnico, ya sea por su dificultad técnica de obtención o por su elevado precio. Así pues, se han implementado aquellos métodos que realmente se utilizan cotidianamente los calculistas de cimentaciones. 249

6 RESISTENCIA POR PUNTA EN SUELOS GRANULARES Para suelos granulares utilizaremos la siguiente formulación: SOLUCION ANALÍTICA Basándose en la teoría de la plasticidad, la resistencia unitaria de hundimiento por punta de pilotes en suelos granulares se considera que es: q 2 5 σ N 20MPa σ' vp Presión vertical efectiva al nivel de la punta antes de instalar el pilote. N q Factor de capacidad de carga definido por la expresión: 1 sin e N 1 sin φ Es el ángulo de rozamiento interno del suelo. SOLUCIÓN BASADA EN EL ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTANDARD Utilizando el valor de N SPT. La resistencia unitaria por punta se puede evaluar, para pilotes hormigonados in situ, con la expresión: q p = 0 2 N [MPa] Siendo N el valor medio de N en los ensayos SPT. A estos efectos se obtendrá la media en la zona activa inferior y la media en la zona pasiva superior. El valor de N a utilizar será la media de las dos anteriores. 250

7 RESISTENCIA POR PUNTA EN SUELOS COHESIVOS A CORTO PLAZO (SIN DRENAJE) La resistencia unitaria de hundimiento por punta a corto plazo será: q N c c u Resistencia al corte sin drenaje del suelo limoso y/o arcilloso. N p Depende del empotramiento del pilote. El CTE recomienda un valor igual a 9. A LARGO PLAZO (CON DRENAJE) Para determinar la resistencia de hundimiento a largo plazo, se utilizará el ángulo de rozamiento efectivo deducido de los ensayos de laboratorio específicos. Para ello se utilizarán las expresiones que corresponden a suelos granulares. El CTE desprecia la componente cohesiva y basándose en la teoría de la plasticidad, la resistencia unitaria de hundimiento por punta de pilotes en suelos cohesivos a largo plazo se considera que es: q 2 5 σ N 20MPa σ' vp Presión vertical efectiva al nivel de la punta antes de instalar el pilote N q Factor de capacidad de carga definido por la expresión: N 1 sin 1 sin e 251

8 φ Es el ángulo de rozamiento interno del suelo a largo plazo, es decir, por ejemplo deducido de ensayos triaxiales consolidados y con drenaje RESISTENCIA POR FUSTE EN SUELOS GRANULARES SOLUCION ANALÍTICA La resistencia por fuste en suelos granulares se estima con la expresión siguiente: τ σ K f tan 120kPa σ' v Presión vertical efectiva al nivel considerado. Ha de suponerse que a partir de los 20 diámetros no aumenta más. K f Coeficiente de empuje horizontal. Para el caso de pilotes perforados es de f Factor de reducción del rozamiento del fuste. 1 para hormigón. φ Ángulo de rozamiento interno del suelo. La resistencia por fuste en un determinado nivel dentro del terreno, para un pilote hormigonado in situ, se considerará igual a: τ t = 2 5 N (kpa) En este caso, N es el valor del SPT al nivel considerado. En cualquier caso, en esta expresión, no se utilizan índices N superiores a 50. SOLUCIÓN MEDIANTE ENSAYOS DE PENETRACIÓN IN SITU 252

9 La resistencia por fuste en un determinado nivel dentro del terreno, para un pilote hormigonado in situ, se considerará igual a τ t = 2 5 N (kpa) En este caso, N es el valor del SPT al nivel considerado. En cualquier caso, en esta expresión, no se utilizan índices N superiores a RESISTENCIA POR FUSTE EN SUELOS COHESIVOS A CORTO PLAZO (SIN DRENAJE) La resistencia unitaria de hundimiento por fuste a corto plazo será: τ 100 c 100 c τ y c en kpa c u Resistencia al corte sin drenaje del suelo limoso y/o arcilloso, teniendo en cuenta la presión de confinamiento al nivel de la punta (entorno comprendido entre dos diámetros por encima y dos diámetros por debajo de ella) obtenida en célula triaxial. Esta expresión es conservadora para calores de c u superiores a los 200 kpa. Sin embargo, el CTE posibilita obtener experimentalmente el valor de la resistencia a la compresión simple a partir de ensayos con confinamiento, de una notable importancia a los efectos prácticos, pues los valores que se obtienen son sensiblemente mayores. Véase en este sentido el Anejo I, en el que se analizan distintas posibilidades y alternativas respecto de este tema. A LARGO PLAZO (CON DRENAJE) La resistencia por fuste en suelos cohesivos se estima con la expresión siguiente: 253

10 τ c σ k f tan 100KPa σ' v Presión vertical efectiva al nivel considerado. Ha de suponerse que a partir de los 20 diámetros no aumenta más. K f Coeficiente de empuje horizontal; f Factor de reducción del rozamiento del fuste φ Ángulo de rozamiento interno del suelo en contacto con el pilote. c Cohesión al nivel considerado (para CTE c = 0) Los valores de K f se pueden seleccionar de la tabla 13 adjunta: HINCADOS PERFORADOS HÍBRIDOS K f = 1 K f = 0,75 K f = 0,75 -> 1 Tabla 24. Valores de K f.. Los valores de f se pueden seleccionar de la tabla 14 adjunta: MADERA HORMIGÓN IN SITU ACERO f = 1 f = 1 f = 0,8 Tabla 25. Valores de f. 254

11 Según el CTE la resistencia unitaria por fuste a largo plazo τ f no superará salvo justificación al valor límite de 0 1 Mpa. En general, suele ser una situación más crítica la que se deduce de consideraciones a corto plazo RESISTENCIA POR PUNTA EN SUELOS ROCOSOS RESISTENCIA POR PUNTA Según el CTE, el valor de la resistencia por punta en roca en pilotes excavados es:, q u Es la resistencia a compresión simple de la roca. d f Viene dado por la expresión: D Es el diámetro del pilote. L r Es la profundidad de pilote empotrado en roca. k sp Viene dado por la expresión: 255

12 D Es el diámetro del pilote RESISTENCIA POR FUSTE A efectos del CTE, la resistencia por fuste de pilotes en suelos rocosos viene dada por la expresión:, 0 2 q u Es la resistencia a compresión simple de la roca expresada en MPa IMPLEMENTACIÓN Para abordar este problema utilizamos una hoja de Excel, la cual implementa internamente la formulación anterior, actualizándose al instante las casillas resultantes INSTRUCCIONES DE UTILIZACIÓN El método de utilización de este módulo es muy simple, simplemente introduciremos en la casilla correspondiente el diámetro con unidades en el sistema internacional. Una vez hecho esto la hoja de Excel se actualiza automáticamente mostrando el resultado. 256