3 CONSIDERACIONES GENERALES

Transcripción

1 3 CONSIDERACIONES GENERALES El contenido fundamental de este documento, y los posicionamientos teóricos que lleva implícitos, se basan en la normativa española vigente, en particular en el Código Técnico de la Edificación (CTE). También se va a mencionar los aspectos complementarios o los matices que otras normativas en uso disponen a este respecto en España. En la actualidad existen, otros dos textos normativos del Ministerio de Fomento que también contemplan este tipo de cimentaciones: ROM (Recomendaciones Geotécnicas para las Obras Marítimas, 2005). La Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera (GCOC, 2003). 3.1 CRITERIOS GENERALES Para los pilotes hormigonados in situ, objetivo de este documento, el CTE tiene en cuenta las siguientes consideraciones: No se deben ejecutar pilotes aislados cuyo diámetro sea < 0 45 m En el caso en que 0 45 m < Diámetro 1.00 m, se podrán ejecutar pilotes aislados siempre que se realice un arriostramiento en dos direcciones ortogonales y se asegure la integridad del pilote en toda su longitud de acuerdo con los métodos habituales de control. Cuando el diámetro sea > 1 00 m; se podrán realizar pilotes aislados sin necesidad de arriostramiento siempre y cuando se asegure la integridad del pilote en toda su longitud de acuerdo con los métodos de control recogidos en el propio CTE y se arme para las excentricidades permitidas y momentos resultantes. 45

2 La excentricidad correspondiente deberá ser no solo la teórica que produce el momento en la cabeza de los pilotes, si no también, y probablemente más desfavorable, aquella que sea consecuencia de una excentricidad de obra, motivada porque no se puede hacer coincidir, y garantizarlo a priori, que el eje del pilote, que se construye antes, coincida exactamente con el eje del pilar que le corresponde y que se construye después. Estas diferencias pueden llegar a ser de varios centímetros en obras de edificación cuyo cuidado y control no sea el habitual y llegando incluso a ser de unas pocas decenas de centímetros, en ocasiones singulares. En la siguiente figura (figura 22), tomada del CTE, se muestra un esquema típico de un pilotaje, con los conceptos que se manejan. Figura 22.Esquema de pilotaje. 46

3 3.1.1 CONTROL DE EJECUCIÓN DE PILOTES HORMIGONADOS IN SITU Veamos a continuación, las recomendaciones que el CTE ofrece para el control del pilotaje in situ. a) La correcta ejecución del pilote, incluyendo la limpieza y en su caso el tratamiento de la punta son factores fundamentales que afectan a su comportamiento, y que deben tomarse en consideración para asegurar la validez de los métodos de cálculo contemplados en el CTE-DB-C. b) Los pilotes ejecutados in situ se controlarán durante la ejecución, confeccionando un parte que contenga, al menos, los siguientes datos: 1. Datos del pilote (Identificación, tipo, diámetro, punto de replanteo, profundidad, etc.); 2. Longitud de entubación (caso de ser entubado); 3. Valores de las cotas: del terreno, de la cabeza del pilote, de la armadura, de la entubación, delos tubos sónicos, etc. 4. Tipos de terreno atravesados (comprobación con el terreno considerado originalmente). 5. Niveles de agua. 6. Armaduras (tipos, longitudes, dimensiones, etc.). 7. Hormigones (tipo, características, etc.). 9. Tiempos (de perforación, de colocación de armaduras, de hormigonado). 47

4 10. Observaciones (cualquier incidencia durante las operaciones de perforación y hormigonado). c) Durante la ejecución se consideran adecuados los controles siguientes, según la norma UNE-EN-1536:2000: 1. Control del replanteo. 2. Control de la excavación. 3. Control del lodo. 4. Control de las armaduras. 5. Control del hormigón. d) En el control de vertido de hormigón, al comienzo del hormigonado, el tubo tremie no podrá descansar sobre el fondo, sino que se debe elevar unos 20 cm para permitir la salida del hormigón. e) En los pilotes de barrena continua se consideran adecuados los controles indicados en la tabla 12 de la norma UNE-EN 1536:2000. Cuando estos pilotes se ejecuten con instrumentación, se controlarán en tiempo real los parámetros de perforación y de hormigonado, permitiendo conocer y corregir instantáneamente las posibles anomalías detectadas. f) Se pueden diferenciar dos tipos de ensayos de control: 1. Ensayos de integridad a lo largo del pilote. 2. Ensayos de carga (estáticos o dinámicos). g) Los ensayos de integridad tienen por objeto verificar la continuidad del fuste del pilote y la resistencia mecánica del hormigón. 48

5 h) Pueden ser, según los casos, de los siguientes tres tipos: 1. Transparencia sónica. 2. Impedancia mecánica. 3. Sondeos mecánicos a lo largo del pilote. Además, se podrá realizar un registro continuo de parámetros en pilotes de barrena continua. i) El número y la naturaleza de los ensayos se fijarán en el Pliego de condiciones del proyecto y se establecerán antes del comienzo de los trabajos. El número de ensayos no debe ser inferior a 1 por cada 20 pilotes, salvo en el caso de pilotes aislados con diámetros entre 45 y 100 cm que no debe ser inferior a 2 por cada 20 pilotes. En pilotes aislados de diámetro superior a 100 cm no debe ser inferior a 5 por cada 20 pilotes. 3.2 ACCIONES A CONSIDERAR Según el CTE, para cada situación de dimensionado habrá que considerar las acciones que la propia estructura ejerce sobre la cimentación y las acciones geotécnicas generadas a través del terreno en que esta se apoya. Es decir, además de las acciones de la estructura sobre la cimentación se deben tener en cuenta que este tipo de cimentación profunda, puede estar sometida a efectos parásitos inducidos por acciones derivadas por el movimiento del propio terreno de cimentación que lo acompaña. El CTE, multiplica dichas acciones por unos coeficientes de seguridad y a su vez, por unos coeficientes de simultaneidad. Dichos coeficientes se recogen en el CTE- DB-SE. 49

6 Tipo verificación Resistencia Estabilidad de Situación persistente o transitoria Tipo de acción Desfavorable Favorable Peso propio del terreno Permanente Empuje del terreno Presión del Agua Variable 1, Peso propio, peso 1, del terreno Permanente Empuje del terreno Presión del agua Variable Tabla 2. Coeficientes de seguridad para las acciones γ. En la tabla anterior (tabla 2), se recogen los coeficientes de seguridad típicos para el cálculo estructural, sin embargo, para el caso de cimentaciones estos coeficientes varían considerándose la unidad para las acciones permanentes y variables desfavorables y cero para las acciones variables favorables, dejándose como en la tabla anterior los coeficientes de las acciones variables desfavorables. Podría parecer peligroso aceptar estos coeficientes de seguridad para el caso de las cimentaciones dado el grado de incertidumbre de la resistencia del terreno. Esto es porque el coeficiente de seguridad se introduce ahí, es decir, en la resistencia de cálculo del terreno y no en las acciones. Así, se establece por ejemplo que el terreno resistirá un 33% menos de su resistencia de cálculo a efectos de hundimiento ACCIONES DE LA ESTRUCTURA SOBRE LA CIMENTACIÓN Para las situaciones persistentes y transitorias, se considerara el valor de cálculo de los efectos de las acciones sobre la cimentación de acuerdo a la siguiente expresión: γ G, G, γ Q, Q, γ Q, ψ, Q, 50

7 Donde: G k Son las acciones permanentes en su valor de característico. Q k Son las acciones variables en su valor de característico. γ Coeficiente de seguridad. ψ Coeficiente de simultaneidad. Asignando el valor unidad a todos los coeficientes de seguridad parciales para las acciones permanentes y variables desfavorables y cero para las acciones variables favorables. El valor de las acciones permanentes favorables quedará como en la tabla 2. Para las acciones extraordinarias, se considerará el valor de cálculo de los efectos de las acciones sobre la cimentación de acuerdo a la siguiente expresión: γ G, G, A γ Q, ψ, Q, γ Q, ψ, Q, Donde: A d Acción extraordinaria en su valor característico. G k Son las acciones permanentes en su valor de característico. Q k Son las acciones variables en su valor de característico. γ Coeficiente de seguridad. ψ Coeficiente de simultaneidad. 51

8 Igualmente asignando el valor unidad a todos los coeficientes parciales para las acciones permanentes y variables desfavorables y cero para las acciones variables favorables. El valor de las acciones permanentes favorables quedará como en la tabla 2. En el caso en que la acción accidental mayor sea la sísmica, todas las acciones variables concomitantes se tendrán en cuenta con su valor casi permanente, según la expresión: Donde: G, A ψ, Q, A d Acción extraordinaria sísmica en su valor característico. G k Son las acciones permanentes en su valor de característico. Q k Son las acciones variables en su valor de característico. ψ Coeficiente de simultaneidad. En la siguiente tabla tomada del CTE, podemos ver los valores asignados al coeficiente de simultaneidad ψ en función del tipo de carga. ψ 0 ψ 1 ψ 2 Zonas residenciales (Categoría A) Zonas administrativas (Categoría B) Sobrecarga superficial de uso Zonas destinadas al público (Categoría C) Zonas comerciales (Categoría D) Zonas de tráfico y de aparcamiento de vehículos ligeros con un peso total inferior a 30kN (Categoría E) Cubiertas transitables (Categoría F)

9 Cubiertas accesibles únicamente para mantenimiento (Categoría G) Sobrecarga nieve Sobrecarga viento Efectos variaciones temperatura Acciones terreno de de de de del Para altitudes > 1000m Para altitudes 1000m Viento Temperatura Acciones variables del terreno Tabla 3. Coeficientes de simultaneidad para las acciones. En el caso de grupo de pilotes, para cada combinación de las acciones que han de soportar los cimientos se debe calcular el reparto de cargas entre cada uno de los pilotes del grupo. En general, este reparto requerirá un proceso iterativo, pues los coeficientes de reparto entre pilotes dependen de la naturaleza del terreno y de la rigidez de los mismos y del encepado. Suele bastar con obtener la distribución de cargas que se obtiene al suponer que los pilotes están articulados en cabeza y que el encepado es infinitamente rígido. Véase a este respecto en la siguiente figura (figura 23), tomada del CTE, de este tipo de análisis. Figura 23. Esquema de la resultante de las acciones. 53

10 Resultante de las acciones: Vertical = V Horizontal = H x, H y Momentos = M x, M y, M z Reparto entre pilotes: Vertical: N A A V A x A y M A x A x M Horizontal: H A A y H A A x y M Donde: H A A x H A A x y M N i Acción de cálculo vertical a considerar para un pilote individual. H x,i, H y,i Acción de calculo horizontal a considerar para un pilote individual. V Acción de cálculo vertical a considerar sobre la base de un encepado. H x ó y Acción de cálculo horizontal a considerar para la base de un encepado. M z, M y, M x Acción de cálculo en forma de momento a considerar sobre la base de un encepado. A Área de un pilote. x, y Distancias al sistema de referencia considerado. 54

11 Si hubiera distintos diámetros de pilotes en un mismo encepado, los valores de cálculo se determinaran para cada uno de los diámetros que se usen ACCIONES GEOTÉCNICAS SOBRE LA CIMENTACIÓN QUE SE GENERAN O TRANSMITEN A TRAVÉS DEL TERRENO A efectos del CTE, habrá que considerar los valores representativos de las siguientes acciones: a) Acciones que actúan sobre el terreno y que por razones de proximidad afectan a la cimentación. b) Cargas y empujes del propio peso del terreno. c) Acciones del agua existente en el terreno EFECTOS PARÁSITOS. ROZAMIENTO NEGATIVO PLANTEAMIENTO La situación de rozamiento negativo se produce cuando el asiento del terreno circundante del pilote es mayor que el asiento de la cabeza del mismo. En esta situación, el pilote soporta, además de la carga que le transmite la estructura, parte del peso del terreno. Como consecuencia, el rozamiento negativo hace que la carga total de compresión que el pilote ha de soportar aumente. Coloquialmente se dice que el terreno se cuelga del pilote. El CTE establece que se deberá estudiar el posible desarrollo de rozamiento negativo cuando se dé alguna de las siguientes y posibles circunstancias: 55

12 a) Consolidación por su propio peso de rellenos o niveles de terreno de reciente deposición. b) Consolidación de niveles compresibles bajo sobrecargas superficiales. c) Variaciones del nivel freático. d) Humectación de niveles colapsables. e) Asientos de materiales granulares inducidos por cargas dinámicas (vibraciones, sismo). f) Subsidencias inducidas por excavaciones o disolución de materiales profundos. En general, es suficiente una pequeña diferencia de asientos para que se produzca la situación de rozamiento negativo. CÁLCULO El rozamiento unitario negativo en el fuste se puede calcular con la expresión: Donde: F, β σ β Se puede aproximar a 0 25 en arcillas y limos blandos, a 0 1 en arenas flojas y a 0 8 en arenas densas. σ vi Es la tensión efectiva en el punto del fuste considerado. Cuando se trate de pilotes que atraviesen suelos blandos y que se alcance un substrato rocoso, el rozamiento negativo se aplicará a toda la superficie del fuste 56

13 comprendida entre la cabeza del pilote y el techo de la roca. Es decir el valor de n de la fórmula anterior se extiende para todos los suelos blandos que atraviesa el pilotaje. Cuando se trata de pilotes flotantes, la situación es más complicada y es necesario calcular la profundidad por debajo de la cual no se produce el efecto del rozamiento negativo. Para ello es necesario calcular las deformaciones relativas entre el suelo y el pilote. En estos casos se debe calcular este efecto de la siguiente manera (figura 24). Figura 24. Profundidad de rozamiento nulo. a) Calcular los asientos del subsuelo, para cada profundidad del terreno z, como si no existiesen los pilotes, como consecuencia de la sobrecarga exterior. Será una curva decreciente con la profundidad, pues el espesor del suelo que se introduce en los cálculos disminuye con la profundidad. b) Calcular, para cada profundidad z del pilote, el asiento que se produce por debajo de ella, por efecto de la carga exterior, más el peso propio del pilote situado por encima de esa profundidad, menos el efecto del rozamiento negativo hasta esa profundidad. Será una curva creciente con la profundidad. 57

14 c) Obtener la profundidad a la cual se cruzan ambas curvas. Esa profundidad permite obtener el punto por debajo del cual no se produce el rozamiento negativo. d) Para cada carga de servicio existe una profundidad en la cual actúa el rozamiento negativo. Se suele estimar para una carga de servicio baja y después extrapolarlo para cualquier situación EMPUJES HORIZONTALES CAUSADOS POR SOBRECARGAS Los pilotes ejecutados en las proximidades de taludes o cargas en superficie pueden estar sometidos a cargas horizontales provocadas por desplazamientos horizontales del terreno. Se trata de un fenómeno que no es fácil de calcular y que cuanto más crítico resulte mayor debe ser el rigor, la complejidad y la precisión de los cálculos que se utilicen. Se trata de un problema típico de interacción suelo terreno, en el cual, para su análisis, es necesario considerar de manera acoplada los efectos tensionales y deformacionales. El cálculo de pilotes actuando como estabilizadores rígidos en un talud excede del alcance de este documento. También es complejo el cálculo de pilotajes que se encuentran en las inmediaciones de taludes. Cuando se trate de pilotes que reciben los esfuerzos debidos a solicitaciones importantes en la superficie del terreno, se puede acudir a la teoría de la elasticidad para estimar las cargas horizontales que sufrirá, y calcular el pilotaje en consecuencia. El CTE considera que se puede prescindir de la consideración de los empujes horizontales sobre los pilotes siempre que la máxima componente de estos empujes 58

15 sea inferior al 10% de la carga vertical compatible con ella. Cuando el empuje excede de este valor, el CTE propone un método simplificado para su consideración. 3.3 ESTADOS LÍMITES Las formas de fallo, (o estados límites últimos), de una cimentación profunda son de muy diverso tipo y todos ellos deben ser objeto de análisis. Evidentemente el alcance de este análisis en alguno de estos casos puede ser muy sencillo, muy obvio y simple ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS ESTABILIDAD GLOBAL El conjunto de la estructura y su cimentación pilotada puede fallar mediante un mecanismo de rotura aún más profundo que la propia cimentación o que, no siendo tan profundo, pudiera cortar los pilotes por su fuste. Para su análisis, en su caso, se utilizarán los procedimientos de cálculo habituales para analizar problemas de estabilidad de taludes. HUNDIMIENTO Es el estado de rotura más clásico. La carga vertical sobre la cabeza del pilote supera la resistencia del terreno y se producen asientos desproporcionados, asociados con la plastificación (rotura) del terreno. La carga de hundimiento se desarrollará en los próximos apartados. 59

16 La verificación de este estado límite se hará utilizando los coeficientes de seguridad parciales de la siguiente tabla (tabla 4) tomada del CTE. Teniendo en cuenta dichos valores, el valor de R cd puede obtenerse, a partir de la carga de hundimiento, R ck mediante: R R γ R Situación dimensionado Persistente transitoria de o Tipo Materiales Acciones γ R γ M γ E γ F Hundimiento 3 00 (1) Deslizamiento 1 50 (2) Vuelco Acciones estabilizadoras (3) 1 00 Acciones desestabilizadoras Estabilidad global Capacidad estructural - (4) - (4) 1 60 (5) 1 00 Pilotes Arrancamiento Rotura horizontal Estabilidad fondo de excavación (6) Sifonamiento Equilibrio limite (7) 1 00 Pantallas Rotación traslación Modelo winkler (7) 1 00 Elementos finitos Hundimiento 2 00 (8) Deslizamiento 1 10 (2) vuelco acciones estabilizadoras acciones desestabilizadoras estabilidad global Extraordinaria capacidad estructural - (4) - (4) Pilotes Pantallas Arrancamiento Rotura horizontal Equilibrio Rotación o limite traslación Modelo

17 winkler Elementos finitos Tabla 4. Coeficientes de seguridad parciales γ. (1) En pilotes se refiere a métodos basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas (largo plazo), para métodos basados en fórmulas analíticas (corto plazo), métodos basados en pruebas de carga hasta rotura y métodos basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de la hinca y contraste con pruebas de carga, se podrá tomar 2 0. (2) De aplicación en cimentaciones directas y muros. (3) En cimentaciones directas, salvo justificación en contrario, no se considerará el empuje pasivo. (4) Los correspondientes de los Documentos Básicos relativos a la seguridad estructural de los diferentes materiales o la instrucción EHE-08. (5) Aplicable a elementos de hormigón estructural cuyo nivel de ejecución es intenso o normal, según la Instrucción EHE-08. En los casos en los que el nivel de control de ejecución sea reducido, el coeficiente γ E debe tomarse, para situaciones persistentes o transitorias, igual a 1 8. (6) El coeficiente γ M será igual a 2 0 si no existen edificios o servicios sensibles a los movimientos en las proximidades de la pantalla. (7) Afecta al empuje pasivo. (8) En pilotes, se refiere a métodos basados en ensayos de campo o fórmulas analíticas; para métodos basados en pruebas de carga hasta rotura y métodos basados en pruebas dinámicas de hinca con control electrónico de la hinca y contraste con pruebas de carga, se podrá tomar 1 5. ROTURA POR ARRANQUE Si las cargas de tracción exceden la resistencia al arranque, el pilote se desconecta del terreno, rompiendo su continuidad y se produce el consiguiente fallo. En este caso el peso propio actúa a favor y obviamente la punta del pilote no colabora en la resistencia. 61

18 ROTURA HORIZONTAL DEL TERRENO BAJO CARGAS DEL PILOTE Cuando las cargas horizontales aplicadas en los pilotes producen en el terreno tensiones que éste no puede soportar, se producen deformaciones excesivas o incluso, si el pilote es corto y suficientemente resistente como estructura, el vuelco del mismo. Este estado límite deberá comprobarse tan sólo en aquellos casos en los que la máxima componente de los empujes horizontales sobre los pilotes sea mayor del 10% de la carga vertical compatible con ellos. CAPACIDAD ESTRUCTURAL DEL PILOTE Las cargas transmitidas a los pilotes en su cabeza inducen esfuerzos en los mismos que pueden dañar su estructura. Se suele utilizar los criterios de verificación de la capacidad estructural de los pilotes frente a los esfuerzos axiles, (tope estructural), cortantes y momento flectores a lo largo de su eje. Se indican posteriormente en este texto. Este puede, y suele, ser un aspecto crítico, determinante. Es decir se suelen diseñar a tope estructural para aprovechar al máximo la capacidad estructural de los pilotes ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO Tanto en el proyecto de pilotes aislados como en el de grupos de pilotes, deberán realizarse también comprobaciones relacionadas con los movimientos, que se van a producir (asientos y desplazamientos transversales) en los que entra en juego no sólo la resistencia del terreno sino también su deformabilidad. 62

19 3.3.3 OTRAS CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO Y EJECUCIÓN Aparte del análisis de los estados límites citados en los apartados precedentes, se tendrán en cuenta otros efectos generales y otras situaciones, que pueden afectar a la capacidad portante o a la aptitud de servicio de la cimentación. Se enumeran a continuación con el objeto de plantear las posibles amenazas que pueden presentarse y que pueden provocar un comportamiento anómalo del pilotaje. Entre los posibles problemas que pueden presentarse, se deberá efectuar una consideración expresa previa y un análisis, en ocasiones muy simple, de los siguientes fenómenos: a) Desprendimientos sobre la cabeza del pilote recién construido, debidos a la diferencia de cota entre el pilote terminado y la plataforma de trabajo, así como desprendimientos o contaminaciones causadas por la limpieza de la plataforma, especialmente en el caso de pilotes de hélice continua, en los que es necesaria la limpieza previa de la cabeza para la introducción de la armadura. b) Asientos por la mala limpieza del fondo de las excavaciones de los pilotes perforados. c) Ataques del medio ambiente al material del pilote con la consiguiente merma de capacidad. Merece mención especial el efecto de la corrosión del acero en las zonas batidas por la carrera de marea o por las oscilaciones del nivel freático. d) Posible expansividad del terreno provocando el problema inverso al rozamiento negativo, es decir causando el levantamiento de la cimentación. e) Posible ataque químico del terreno o de las aguas a los pilotes. f) Posible modificación local del régimen hidrogeológico por conexión de acuíferos ubicados a distinta profundidad que podrían quedar conectados al ejecutar los pilotes. 63

20 g) Posible contaminación medioambiental por la utilización de lodos o polímeros durante la excavación de pilotes de hormigón in situ. e) Estabilidad de los taludes de las excavaciones y plataformas realizadas para construir el pilotaje. f) Daños en cimientos y estructuras ocasionados por la hinca de pilotes. g) Problemas de colapso en suelos que tengan una estructura metaestable. h) Posibles efectos sísmicos y en particular la posible licuefacción del entorno y que pudiera incluir al propio pilotaje. i) Posible pérdida de capacidad portante por socavación de pilotajes RESISTENCIA DEL TERRENO FRENTE A ACCIONES HORIZONTALES El cálculo de los pilotes frente a esfuerzos horizontales, tan sólo suele realizarse en aquellos casos en los que la máxima componente de los empujes horizontales sea superior al 10% de la carga vertical compatible con ella. El coeficiente de seguridad a utilizar frente a este modo de rotura según el CTE se adopta en función de los criterios recogidos en la tabla4 del presente texto. En proyectos donde este aspecto resulte crítico para el dimensionamiento del pilotaje, es recomendable realizar pruebas de carga que permitan una estimación más exacta de la carga de rotura. En el caso de utilizar pruebas de carga en la estimación de la carga horizontal de rotura, se podrán reducir los coeficientes de seguridad en función de la importancia de las pruebas. El coeficiente de seguridad no será, en cualquier caso, inferior al 70% de los valores recogidos en la tabla4. 64

21 Para estimar la resistencia del terreno frente a las acciones horizontales se distingue entre: a) El pilote individual b) El efecto grupo EL PILOTE INDIVIDUAL La carga de rotura horizontal del terreno "R hk " se puede estimar con el esquema de cálculo que se indica en la siguiente figura (figura 25), tomada del CTE. El punto donde se aplica la carga H es un punto de momento flector nulo que se deberá decidir en función de cálculos estructurales. Los casos particulares de c = 0 (terreno puramente granular) y de φ = 0 (terreno puramente cohesivo) se recogen en las figuras 26 y 27 tomadas del CTE. Figura 25. Fallo del terreno causado por una fuerza horizontal sobre pilote. 65

22 Datos del terreno γ, φ, c Hipótesis admisible: e z 9 c 3 γ z 1 sin D 1 sin L E s z dz Δ R s L Condiciones de equilibrio: H E R H e L 1 2 E d E 1 2 Caso particular de desplazamiento rígido horizontal: 0 R 0 H s z dz L 66

23 Figura 26.Carga de rotura horizontal del terreno (c=0). 1 Carga que actúa al nivel indicado Hipótesis de traslación rígida del pilote ( e negativo) Donde: γ Peso efectivo (sumergido en su caso) del terreno. k p Coeficiente de empuje pasivo. Puede suponerse k p =1 8. φ El ángulo de rozamiento interno. 67

24 Figura 27. Carga de rotura horizontal del terreno (φ=0). 1 Carga que actúa al nivel indicado Hipótesis de traslación rígida del pilote ( e negativo) Donde: Cu Resistencia al corte sin drenaje. CONSIDERACIONES DEL EFECTO GRUPO La resistencia frente a esfuerzos horizontales del terreno situado alrededor de un grupo de pilotes es el menor valor de los dos siguientes: a) La suma de las resistencias horizontales del terreno alrededor de cada pilote, calculadas individualmente. 68

25 b) La resistencia horizontal del terreno correspondiente a un pilote equivalente cuyo diámetro fuese la anchura del grupo y cuya profundidad fuese igual a la profundidad media de los pilotes del grupo. En los casos en los que este aspecto del proyecto resulte crítico, se deberán utilizar procedimientos de cálculo detallados. 3.4 MOVIMIENTOS DE LA CIMENTACIÓN ASIENTOS Si el problema del asiento en los pilotes resulta ser un aspecto crítico del proyecto, es conveniente la realización de pruebas de carga especialmente diseñadas para la determinación de asientos a largo plazo, ya que esta es la única manera precisa de conocer la relación carga-asiento. Para la realización de dicha prueba se recomienda independizar la resistencia de punta de la del fuste del pilote. En los casos en los que este aspecto no resulte crítico, los asientos se calcularán tanto para el pilote aislado como teniendo en cuenta el efecto grupo, debiéndose cumplir que los valores así estimados deben ser menores del asiento que provoca que la estructura se encuentre fuera del límite de servicio. ASIENTOS DEL PILOTE AISLADO El asiento de un pilote vertical aislado sometido a una carga vertical de servicio en su cabeza igual a la máxima recomendable por razones de hundimiento, es aproximadamente el uno por ciento de su diámetro, más el acortamiento elástico del pilote. Según el CTE el asiento del pilote se calcula mediante la siguiente fórmula aproximada: 69

26 s D l l N 40R AE Donde: s i Asiento del pilote individual aislado. D Diámetro del pilote (para formas no circulares se obtendrá un diámetro equivalente) N Acción de cálculo vertical sobre la cabeza del pilote. R ck Carga de hundimiento l 1 Longitud del pilote fuera del terreno l 2 Longitud del pilote dentro del terreno A E Área de la sección transversal del pilote Modulo de elasticidad del pilote α Parámetro variable según el tipo de transmisión de cargas al terreno, α=1 para pilotes que trabajan principalmente por punta y α=0.5 para pilotes flotantes. Para situaciones intermedias, se adoptará el siguiente valor de α: 1 R 0 5R f R R pk = Carga de hundimiento por punta R fk = Carga de hundimiento por fuste 70

27 CONSIDERACIÓN DEL EFECTO GRUPO En los grupos de pilotes, y debido a la interferencia de las cargas, el asiento de cada pilote puede ser mayor. Para tenerlo en cuenta, se suele hacer la siguiente estimación: Se supone que toda la carga del grupo está uniformemente repartida en un plano situado a la profundidad "z" bajo la superficie del terreno. z = α l 2 Con los significados de "α" y "l 2 " mencionados antes y con unas dimensiones transversales B 1 x L 1 dadas por: B B 1 α l L L 1 α l El cálculo del asiento debido a esta carga vertical repartida en profundidad se estima de acuerdo con los procedimientos generales de cálculo de asientos de cimentaciones superficiales. MOVIMIENTOS HORIZONTALES: COEFICIENTES DE BALASTO Si el movimiento horizontal de la cimentación pilotada resulta ser un aspecto crítico del problema en estudio, es conveniente hacer pruebas de campo para estimarlos, al igual que frente a los movimientos verticales. Los movimientos horizontales que pongan fuera de servicio a la estructura que se apoya sobre los pilotes deberán ser claramente mayores que los que se estiman de la manera simplificada que se describe a continuación para: 71

28 a) Pilote aislado b) Efecto grupo PILOTE AISLADO Para el cálculo de los movimientos horizontales del pilote se utiliza la teoría de la viga elástica o del coeficiente de balasto, también denominado como coeficiente de Winkler. Aunque las soluciones "exactas" de este problema están bien resueltas mediante ábacos y curvas, se suele admitir como suficientemente preciso utilizar la solución aproximada que se esquematiza en la figura28. La parte del pilote que queda dentro del terreno queda sustituida, a efectos del cálculo de esfuerzos y movimientos al nivel del terreno, por una varilla rígida de longitud L, sujeta a su base mediante un resorte vertical, otro horizontal y otro de giro. La línea de terreno, a efectos de cálculo de movimientos horizontales o de esfuerzos en el pilote, se fija con prudencia. Se desprecia la colaboración de zonas que sean especialmente blandas o deformables en comparación con el terreno inmediato inferior. Para estimar la presión horizontal que se opone al movimiento del pilote a cierta profundidad (p h ) se utiliza la teoría del coeficiente de balasto. Según esta teoría el valor de p h viene dado por la expresión: p k δ Donde: K s Es el módulo de balasto horizontal del pilote. 72

29 δ Es el desplazamiento horizontal del pilote. El módulo de balasto K s tiene dimensiones de fuerza dividida por longitud al cubo, es decir de peso específico. Se puede estimar por alguno de los procedimientos que se citan a continuación: a) Mediante pruebas de carga horizontal debidamente interpretadas. b) Mediante información local debidamente contrastada. c) En función del resultado de ensayos presiométricos o dilatométricos realizados en sondeos. d) Mediante correlaciones empíricas. Cuando se utilizan los resultados de ensayos presiométricos se determina el módulo de balasto horizontalmente mediante la siguiente formulación: Figura 28. Barra equivalente para el cálculo de movimientos. 73

30 E Módulo de elasticidad del material que forma el pilote. I Momento de inercia respecto de un eje de giro perpendicular al plano de estudio. A Área de la sección transversal del pilote. T Longitud elástica del pilote. l 2 Longitud enterrada del pilote. L Longitud de empotramiento equivalente. Valores de los parámetros del pilote equivalente: L Ln l T 0 80 T T K Ln l E I T T E I T K Ln l E I 0 60 E I T T T 1 K V D l α l 40 R A E K α E D 74

31 Donde: E p El módulo presiométrico. D El diámetro del pilote 0 3. α Un factor adimensional que depende del tipo de terreno y oscila entre 1 5 para arcillas y 3 para suelos granulares. Cuando se utilizan correlaciones empíricas para determinar el coeficiente de balasto se distingue entre: a) Arenas En arenas se admite que el módulo de balasto depende no sólo de la profundidad "z" sino también del diámetro del pilote, D según indica la siguiente expresión. K n z D El valor de la constante de proporcionalidad "n h " se toma de la siguiente tabla. Compacidad de la arena situación respecto al nivel freático Floja Media 5 3 Compacta 10 6 Densa Tabla 5. Valores de n h en MPa/m 3. En estos casos se adopta como longitud elástica del pilote T el valor adimensional definido por la expresión: T E I / 75

32 Donde: E módulo de elasticidad del pilote. I momento de inercia de la sección transversal del pilote. Es igual a π D4 / 64 en el caso de pilotes circulares de diámetro D. b) Arcillas En arcillas se supone que el módulo de balasto es proporcional a su resistencia al corte sin drenaje, c u, e inversamente proporcional al diámetro del pilote, D, según indica la expresión: K 67 C D En estos casos se adopta como longitud elástica del pilote T, el valor adimensional definido por la expresión: T EI D K / Siendo E, I, D, K s los definidos anteriormente EFECTO DE GRUPO Para estimar el movimiento horizontal del grupo, en aquellos casos en los que no resulte crítico, se considera cada pilote del grupo sustituido, en su parte enterrada, por una varilla rígida virtual soportada por los resortes indicados anteriormente en la figura 28, pero afectando a la longitud elástica estimada en la hipótesis de "pilote aislado" por un coeficiente de mayoración m. T (pilote dentro del grupo) = m T(pilote aislado) 76

33 Para espaciamientos de pilotes superiores a 2 5D y para pilotes cuya longitud dentro del terreno sea superior a 2 5T, y a falta de datos concretos mas fiables, se pueden utilizar los siguientes valores de m. A falta de datos más fiables, se recomienda utilizar los valores indicados en la Figura29, tomada del CTE. m D S 1 10 Primera fila m D S D S 1 30 Filas siguientes Donde: D Diámetro del pilote. S Separación entre ejes Figura 29. Consideraciones de efecto de grupo en la rigidez transversal para el cálculo de movimientos horizontales. - Relaciones válidas para espaciamientos superiores a 2.5 D. - Relaciones válidas para pilotes cuya longitud dentro del terreno sea superior a 2.5T. 77

34 3.5 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES En el análisis de los estados límite últimos se tendrá en cuenta que las acciones en el pilote pueden llegar a provocar el agotamiento de la capacidad estructural de su sección resistente TOPE ESTRUCTURAL El tope estructural es la solicitación unitaria axil de servicio máxima a la que se puede cargar un pilote. Una vez se disponga de cuál es el tope estructural se deberá revisar que, las solicitaciones unitarias axiles sobre cada pilote, no superen este tope. Como tales solicitaciones de servicio deberán compararse con los valores de los efectos de las acciones, que corresponden a las acciones de la estructura sin mayorar. El tope estructural depende de: a) La sección transversal del pilote. b) El tipo de material del pilote. c) El procedimiento de ejecución. d) El terreno. Los valores del tope estructural se adoptan de acuerdo con lo establecido en la tabla 6 adjunta. 78

35 σ [MPa] suelo firme Roca Entubados 5 6 Lodos 4 5 perforados (1) En seco 4 5 Barrenados sin control de parámetros Barrenados con control de parámetros 4 - En presencia de agua (bajo NF) (1) Con un control adecuado de la integridad, los pilotes perforados podrán ser utilizados con topes estructurales un 25% mayores. Tabla 6. Valores recomendados para el tope estructural de los pilotes en MPa CAPACIDAD ESTRUCTURAL DEL PILOTE Se deberá comprobar que los valores de cálculo de los efectos de las acciones de la estructura sobre cada pilote (momentos y esfuerzos cortantes) no superan el valor de cálculo de su capacidad resistente. En ausencia de otras recomendaciones más específicas y en los casos normales, donde las acciones horizontales no sean dominantes, el cálculo de esfuerzos en los pilotes se hace con el mismo modelo estructural que se ha descrito en el apartado (ver figura 28) para el cálculo de movimientos. En este modelo, la cimentación proporciona esfuerzos en la parte exenta (no enterrada) de los pilotes que pueden considerarse suficientemente precisos. Para obtener los esfuerzos en la parte enterrada de los pilotes, se acepta la solución simplificada que se recoge en la figura 30, tomada del CTE. Para poder usar el modelo estructural de la figura 30 se debe determinar previamente los valores de cálculo de los efectos de las acciones de la estructura sobre el pilote. Utilizando los coeficientes de seguridad parciales, γ E, que se indican en la tabla 4. A estos esfuerzos se les denomina H o y M o (cortante y momento flector, respectivamente) en dicha figura. 79

36 El valor de la profundidad z o, en la figura 30 es función exclusiva de la longitud enterrada del pilote, que se denomina L en dicha figura, y de la longitud elástica T, que se define en el apartado en función del producto de inercia de la sección transversal del pilote (E I) y de la deformabilidad del terreno. El momento flector en la parte enterrada de la figura30 se puede evaluar componiendo las partes debidas al esfuerzo de corte, H o, parte superior de la figura, y el debido al momento flector M o en la cabeza del pilote, parte inferior de la figura. El armado de los pilotes se hará de acuerdo con las reglas especificadas en la normativa vigente (Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08) y Código Técnico de la Edificación. A efectos del cálculo a flexión, la resistencia característica a utilizar del hormigón no será inferior a 18 MPa. 80

37 Figura 30. Atenuación de esfuerzos en la parte enterada de los pilotes. 81