DISEÑO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS

Transcripción

1 DISEÑO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS ELABORÓ: GERMAN LOPEZ RINCON

2 . INTRODUCCIÓN El dseño estructural de cmentacones profundas está íntmamente lgado con el dseño geotécnco de la cmentacón. S el comportamento esperado de la cmentacón y superestructura no es satsfactoro, por mucho cudado que se haya tendo en el dseño, consderando todas las posbles combnacones de carga a que estará sujeta la estructura durante su vda útl, la solucón adoptada no será adecuada. Tenendo esto en mente, el ngenero de cmentacones podrá abordar el dseño de una cmentacón profunda sobre una base raconal que tome en cuenta el comportamento físco real del sstema suelo-cmentacón-superestructura. En consecuenca, los puntos que deberán tomarse en cuenta al dseñar una cmentacón son los sguentes: a. Estratgrafía, condcones hdráulcas y propedades mecáncas de compresbldad, resstenca al esfuerzo cortante y permeabldad, tanto para condcones estátcas como dnámcas. b. Característcas de los edfcos o construccones que rodean al nuevo proyecto. c. Característcas del sto en estudo desde el punto de vsta eólco y/o sísmco. d. Característcas del proyecto, esto es, geometría, cargas y destno de la obra. Cuanto mejor sea el conocmento que se tenga de cada uno de los factores anterores, mayor control se tendrá de cada etapa del dseño, lo que redundará en un mejor comportamento de la estructura proyectada. de 7

3 . CIMENTACIONES CON PILOTES DE FRICCION El uso de plotes de frccón está estrechamente vnculado con una cmentacón 00% o parcalmente compensada, en stos donde los depóstos superfcales del suelo son de baja resstenca y alta compresbldad, tal como sucede en el Valle de Méxco, el que, como se sabe, está formado por seres de arcllas y lmos arcllosos blandos que alcanzan profunddades hasta de 35 o 40 m. En este tpo de cmentacón los plotes se utlzan para dsmnur el hundmento de ésta, transfrendo parte de la carga del edfco a estratos más profundos, los que, debdo al fenómeno de endurecmento que exhben estos materales, son más resstentes y menos compresbles. Ver fgura. En térmnos generales el dseño de una cmentacón con plotes de frccón se lleva a cabo medante las sguentes reglas báscas: a.- La carga total del edfco la toman los plotes y el suelo al nvel de desplante del cajón de cmentacón. La relacón de carga entre el plote y el suelo deberá estar entre y 4, esto es: donde <Rq<4 Rq= Wf/Wa Wf: carga que toman los plotes Wa: carga que toma el suelo We= Wa + Wf: carga total del edfco descontando la subpresón del agua al nvel de desplante. Para suelos normalmente consoldados, esto es, para o= b, el valor de Rq estará cercano a 4, mentras que para suelos preconsoldados o del tpo preconsoldado, en donde b>o, el valor de Rq puede estar cercano a la undad. En este caso se entende que los plotes y el suelo toman aproxmadamente la msma carga. b.- Los plotes de frccón se calculan para que trabajen a su capacdad últma; esto sgnfca que estarán penetrando contnuamente en la masa del suelo. 3 de 7

4 La capacdad últma de carga de los plotes puede estmarse con sufcente precsón por medo de la expresón: Q u (0.3q ) wz a u p b el prmer térmno del segundo membro representa la capacdad últma por frccón y el segundo térmno la capacdad por punta del plote, además: qu: resstenca del suelo en compresón no confnada o compresón smple w : perímetro efectvo donde se desarrolla la frccón =. (do); do es el dámetro equvalente del plote z: espesor del estrato ap: área de la seccón transversal del plote en la punta b: esfuerzo crítco de compresón o carga de preconsoldacón c.- Debdo a que los plotes están trabajando a su capacdad últma por frccón, la establdad de la cmentacón se obtene por contacto entre el cajón de cmentacón y el suelo. La capacdad de carga al nvel de desplante del cajón puede calcularse, de acuerdo con Terzagh, con la sguente expresón: q a c 5. 7 FS a od donde qa: capacdad admsble de carga, en ton/m ca: cohesón meda del suelo, tomando en cuenta todos los estratos afectados por la superfce potencal de deslzamento. Ver fgura. d.- Los movmentos vertcales de la cmentacón, expansón y hundmentos, se calculan con base en el cambo de esfuerzos producdo por la excavacón al construr la cmentacón y por el ncremento de esfuerzos debdo a la frccón postva. Ver zonas sombreadas de la fgura. El hundmento máxmo por el ncremento neto de esfuerzos se obtene aplcando la expresón: m ( ) z s v o donde: 4 de 7

5 mv : módulo de compresbldad volumétrca untaro del suelo, obtendo de pruebas de consoldacón en el odómetro. o, : esfuerzo efectvo orgnal y fnal después de construdo el edfco. e.- durante un ssmo los plotes no toman nnguna carga axal adconal, cualquer ncremento de carga por volteo lo toma el suelo al nvel de desplante del cajón de cmentacón. La fuerza cortante en la base, generada por el ssmo, la toma el suelo por medo del cajón de cmentacón y los plotes. El efecto de la fuerza cortante produce flexón en los plotes que debe tomarse en cuenta en el dseño. La fuerza de ssmo que se genera en el centro de masa de un edfco puede estmarse conocendo la respuesta de aceleracón del centro de masa, es decr: donde: Vm= fa M am fa : factor de amplfcacón de la aceleracón am del suelo al nvel de desplante del edfco. M : masa total del edfco El valor de am se asgna de acuerdo con las aceleracones regstradas de ssmos anterores, el factor de amplfcacón fa puede obtenerse conocendo el período de vbracón del sstema suelocmentacón-superestructura To, esto es: donde: To = Tn + T Tn : período fundamental de vbracón de la estructura T : período de rotacón de la cmentacón Con el dato anteror y asgnando un factor de amortguamento al sstema, se entra al espectro de respuesta y se obtene el factor de amplfcacón. Luego el momento de volteo será: Ot = Vm hm En la fgura 3 se muestra el espectro envolvente de dseño y el esquema del sstema suelocmentacón-superestructura. En consecuenca, el dseño estructural de una cmentacón con plotes de frccón ncluye lo sguente: 5 de 7

6 . Cálculo de la capacdad de carga últma de los plotes y determnacón del número, en funcón de la relacón de carga plote-suelo que se adopte.. Análss estátco de nteraccón suelo-cajón de cmentacón para determnar la dstrbucón de reaccones. 3. Análss sísmco para determnar la fuerza cortante en el centro de masa del edfco y el momento de volteo. 4. Análss sísmco de nteraccón suelo-cmentacón para determnar la dstrbucón de reaccones por ssmo en el cajón de cmentacón. 5. Análss sísmco de nteraccón plote-suelo para determnar los elementos mecáncos, fuerza cortante y momento flexonante, en los plotes producdos por la accón de la fuerza cortante sísmca actuando en la cabeza del plote. La superposcón de todos los efectos anterores permte el poder analzar y revsar estructuralmente la cmentacón, así como sumnstrar el acero de refuerzo y su poscón correcta en el cajón de cmentacón y en los plotes. En la fgura 4 se muestra en forma esquemátca el efecto de cada uno de los puntos anterores. 3. CIMENTACIONES CON PILOTES DE PUNTA El dseño de una cmentacón con plotes apoyados de punta dfere del de una cmentacón con plotes de frccón en que en este caso los plotes toman la totaldad de la carga del edfco, ncluyendo la cmentacón, descontando úncamente la subpresón del agua. Lo anteror representa que el comportamento de la cmentacón deba estudarse para consderar los aspectos sguentes: a. Los plotes deben ser capaces de tomar la carga del edfco así como los ncrementos de carga vertcal que se generan durante un ssmo. b. A largo plazo, durante la vda útl del edfco se generan fuerzas de arrastre, como la frccón negatva, que afectan el dseño de la cmentacón y que deben tomarse en cuenta. c. La establdad del edfco ante carga lateral la da el cajón de cmentacón. Sn embargo, es necesaro analzar los plotes ante carga lateral para verfcar el dseño por flexón. En el dseño de cmentacones con plotes apoyados de punta se pueden tener varos casos, a saber: 6 de 7

7 . Plotes apoyados en un estrato resstente y de baja compresbldad que se extende ndefndamente con la profunddad.. Plotes apoyados en un estrato resstente que sobreyace a depóstos compresbles y poco resstentes. Ver fgura 5. En el prmer caso, la dstrbucón de plotes podrá concentrarse bajo cada columna sabendo que el hundmento dferencal entre éstas es desprecable para propóstos práctcos. S la zona donde se ubca el edfco está sujeta a hundmento regonal, a largo plazo el edfco tenderá a emerger con respecto a la superfce del suelo. En el segundo caso, en vrtud de que los depóstos compresbles bajo el estrato resstente se consoldan, s se concentran los plotes bajo las columnas es probable que se generen hundmentos dferencales, debdo a la dferenca de carga que toman los plotes en cada grupo de columnas. En este caso lo mejor es dstrbur los plotes bajo la cmentacón en un arreglo unforme, lo que oblga a utlzar un cajón de cmentacón rígdo. Este tpo de solucón es común en subsuelos como el del Valle de Méxco, donde, además, se tene el problema de hundmento regonal, por lo que la cmentacón deberá dseñarse para que los hundmentos sean compatbles con dcho hundmento regonal, evtando el emergmento y daños a las nstalacones muncpales. La capacdad de carga de los plotes puede calcularse con la sguente expresón propuesta por Terzagh y modfcada por Zeevaert para tomar en cuenta la compacdad del estrato de apoyo: Q pu A p cn N ( D 0.). c d q r donde: Ap : área de la seccón transversal del plote en la punta c : cohesón del estrato de apoyo d : esfuerzo vertcal efectvo al nvel de desplante Nc, Nq : factores de capacdad de carga, funcón del ángulo de frccón nterna del suelo de apoyo Dr : compacdad relatva del estrato de apoyo Debe notarse que el esfuerzo vertcal efectvo al nvel de desplante depende de la frccón negatva que se genere en el plote a lo largo del fuste, hasta el estrato de apoyo; ver fgura 5. Esta frccón puede estmarse con la expresón: FN d wk wk d 3a d 0 z oz 7 de 7

8 En este caso: w =.05(do) K=coefcente de frccón que en arcllas y lmos arcllosos tene un valor de 0.33 a : área trbutara del plote d 0 z : área de esfuerzos oz De una forma más precsa, tanto la frccón postva como la negatva pueden calcularse utlzando los sguentes algortmos, cuya base teórca se da a contnuacón: Al nvel -: F ( o) a (a) Al nvel : F ( ) a (b) o Por equlbro plástco: F F ( ) K r z o llamando: m r K se tene: o F F m ( ) z (c) A partr de esta expresón se pueden estudar cuatro casos, dependendo de dónde se nce el cálculo de la frccón. FRICCION NEGATIVA ( < o) CASO La ntegracón comenza desde la cabeza del plote, donde las condcones de frontera son: (FN)- = 0; o- = - 8 de 7

9 los valores desconocdos son: (FN) y susttuyendo los valores correspondentes en la expresón (c): ( o ) a ( FN ) m ( ) z resovendo para s: a a m z o m z a m z ( FN ) a m z o ben; y A B o o C ( FN ) ( FN ) ( ) a CASO : La ntegracón nca en la punta del plote donde se conoce la (FN) y el esfuerzo así como el esfuerzo o; las ncógntas son en este caso (FN)- y -. Los algortmos resultantes quedan en la forma: y A o B C ( FN ) ( FN ) ( o ) a en este caso: A a ; m A a m z B ; C A a FRICCIÓN POSITIVA ( > o) CASO 3 La ntegracón nca en la cabeza del plote, donde se conocen (FP)-; o- y -; las ncógntas son: (FP) y Los algortmos resultantes son: 9 de 7

10 y A o B ( FP) ( ) a C ( FP) o donde: A a a m z ; B m A ; C A a CASO 4 La ntegracón comenza en la punta del plote, donde se conocen (FP) ; o y. Los valores desconocdos son: (FP)- y -. Los algortmos quedan: y o B C A ( FN ) ( FP) ( 0 ) a en este caso: A a ; m A a m z B ; C A a para los cuatro casos: r o rado efectvo del plote =.05 ro para (FN) o.0 ro para (FP) K tan r ; N N sen r sen r Los elementos mecáncos en el cajón de cmentacón se calculan en forma semejante al de una cmentacón con plotes de frccón; sólo que la reaccón qa, bajo el cajón, es nula y las reaccones en los plotes se obtenen hacendo el análss de nteraccón plote-suelo bajo el nvel de la punta de los plotes; tal como se muestra en la fgura 6. El efecto de la fuerza cortante sísmca se trata gual al caso de plotes de frccón, pudendo cambar las condcones de frontera en la punta, s los plotes se empotran en el estrato resstente. 0 de 7

11 En consecuenca, el dseño estructural de una cmentacón con plotes de punta ncluye, de manera semejante a la de una con plotes de frccón, lo sguente: Cálculo de la capacdad de carga últma de los plotes y determnacón del número, en funcón de la carga efectva que deben soportar los plotes. Análss estátco vertcal de nteraccón suelo-plotes para determnar la dstrbucón de reaccones en los plotes; tanto para el caso I como para el caso II. Análss sísmco para determnar la fuerza cortante en el centro de masa del edfco y el momento de volteo. Análss sísmco de nteraccón suelo-plotes para determnar la dstrbucón de reaccones por ssmo en los plotes. Análss sísmco de nteraccón plote-suelo para determnar los elementos mecáncos, fuerza cortante y momento flexonante, en los plotes producdos por la accón de la fuerza cortante sísmca actuando en la cabeza del plote, en funcón de las condcones de apoyo que tengan los plotes en los extremos. La superposcón de todos los efectos anterores permte el poder analzar y revsar estructuralmente la cmentacón, así como sumnstrar el acero de refuerzo y su poscón correcta en el cajón de cmentacón y en los plotes. BIBLIOGRAFÍA ) Zeevaert, L. "Foundaton Engneerng for Dffcult Subsol Condtons", nd Ed. Van Nostrand Renhold, 983 ) Zeevaert, L. "Interaccón Suelo-Estructura de Cmentacón", Edtoral Lmusa, S.A., ) Zeevaert, L. "Conceptos Báscos en el Dseño de Cmentacones Compensadas sn y con Plotes de Frccón" DEPFI, Méxco ) Zeevaert, L. Cmentacón Monolítca Tpo LEZ Méxco, DF 999. de 7

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14 4 de 7 FIGURA 3

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17 Ra X X X3 X4 Rb q a I aa I a I a I 3a I 4a I ba I aa I a I a I 3a I 4a I ba 3 3 I aa 3 I a 3 I a 3 I 3a 3 I 4a 3 I ba FIG. 6. INTERACCION SUELO ESTRUCTURA CIMENTACION PROFUNDA 7 de 7