QUÉ HEMOS APRENDIDO DEL COMPORTAMIENTO DE LAS CIMENTACIONES?

QUÉ HEMOS APRENDIDO DEL COMPORTAMIENTO DE LAS CIMENTACIONES? Conferencias Conmemorativas LA INGENIERÍA CIVIL A 30 AÑOS DE LOS SISMOS DEL 85 Dr. Manuel J. Mendoza López Subdirector de Geotecnia y Estructuras Instituto de Ingeniería, UNAM 14 de Septiembre, 2015

OBJETIVOS Presentar los avances de la ingeniería civil durante los 30 años transcurridos desde 1985 en materia de investigación y aplicación de nuevas técnicas para la seguridad sísmica de las construcciones. EN PARTICULAR LOS REFERENTES A LA OBSERVACIÓN Y MONITOREO DEL COMPORTAMIENTO DE CIMENTACIONES, Y QUE HAN LLEVADO A LA PREPARACIÓN DE LA VERSIÓN ACTUALIZADA (2014) DE LAS NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CIMENTACIONES.

ANTECEDENTES Y ALGUNAS LECCIONES INICIALES ENORMES INCERTIDUMBRES FALLAS GEOTÉCNICAS EN TODO TIPO DE CIMENTACIONES EN LA CIUDAD DE MÉXICO EL TIPO MIXTO DE CIMENTACIÓN CON PILOTES DE FRICCIÓN FUE EL DE PEOR COMPORTAMIENTO EN LA CIUDAD DE MÉXICO Asentamientos totales y diferenciales excesivos, Desplomos, Fallas estructurales y/o Volcamientos Totales fueron registrados en 13% del total de edificios con cimentaciones mixtas (6 a 14 pisos) en el centro de la ciudad de México, durante el sismo del 19 de septiembre, 1985

CIMENTACIÓN MIXTA CON CAJÓN Y PILOTES DE FRICCIÓN Cajón de cimentación Formación Arcillosa Superior Pilotes de fricción Primera Capa Dura Durante 1985 no existía cimentación instrumentada alguna en la ciudad de México, que diera respuesta a lo acontecido.

SISMOS DE 1985 INCERTIDUMBRES MEJORAS EN LOS CRITERIOS DE DISEÑO Y EN LA NORMATIVIDAD MONITOREO DE VARIABLES INTERNAS EN CIMENTACIONES REALES Our theories will be superseded by better ones, but the results of conscientious observations in the field will remain as a permanent asset of inestimable value to our profession. Karl Terzaghi, 1936

PUENTE URBANO IMPULSORA Eje 11 Eje 12 Estación del Metro Apoyo No. 6 Puente que sobre Av de las Zapatas, cruza Av Central, y que da acceso a la estación Impulsora de la Línea B del Metro

SUPERESTRUCTURA DE LA CIMENTACIÓN INSTRUMENTADA Apoyo No. 6 durante su etapa de construcción

P64 P67 BM-3 N CP-A CP-1 P39 P40 CP-2 ZE-3 ZE-2 ZE-1 CP-B ZD-1 ZD-2 CP-C P41 BM-1 ZD-3 CP-3 CP-4 CP-D P4 BM-2 P14 Ciudad de México PLANTA de CIMENTACIÓN 22 m x 15 m

Acelerómetros en campo libre APOYO No. 6 Sensores en la superficie del terreno Acelerógrafo Caseta de registro NT 0.0 3.0 NAS Losa de cimentación Celda de Presión Contratrabe Formación Arcillosa Superior Extensómetro de manguera Sonda Celda de carga Imán -30.0 Primera Capa Dura Piezómetros -33.0-35.0 Acelerómetros de pozo -60.0

CELDAS DE CARGA Concreto Acero principal de refuerzo soldado a la placa de acero 6 pernos de acero de alta resistencia Placa de acero CELDA de CARGA PILOTE 50 x 50 cm

Cargas medidas a lo largo del pilote P4 en diferentes fechas Contratrabe Factor de adherenciafricción, α = 0.74 Celda de cabeza Celda media superior Celda media inferior Celda de punta Prof. en m Carga en kn

Diseño de pilotes de fricción f s = f (δ) K σ v = β σ v Método Beta, en términos de esfuerzos efectivos f s = α c u Método Alfa, en términos de esfuerzos totales c u es la resistencia cortante no drenada Para estimar la capacidad de carga de pilotes de fricción, las NTC-Cimentaciones 2004 del RCDF adoptan un análisis del tipo Alfa, asumiendo un valor implícito del factor de adherencia-fricción, α = 1. Las mediciones en este caso estudiado, bajo carga sostenida y a largo plazo, arrojaron un factor, α = 0.74

( 1-3)/2, 1 - kpa en kpa POR QUÉ NECESARIAMENTE a= 1? SI Cuanto más lento es el proceso para alcanzar la falla, menor es la resistencia al esfuerzo cortante 70 60 50 3 =100 kpa 40 30 3 =50 kpa 20 3 =25 kpa Datos de Alberro e Hiriart, 1973 10 3 =0 kpa 0 0.01 0.1 1 10 100 1000 tiempo a la falla, h

POR QUÉ NECESARIAMENTE a = 1? SI ENSAYES DE CORTE DIRECTO: La resistencia cortante en la interfaz suelo-bloque de concreto, es menor que en suelo-suelo. Datos de Ovando, 1995

Desplazamiento al ciclo N/Desplazamiento al ciclo 1 Desplazamiento al ciclo N/Desplazamiento al ciclo 1 POR QUÉ NECESARIAMENTE a = 1? SI Para similar carga máxima cercana a la falla, resulta tanto más crítica la combinación de carga sostenida y cíclica, cuanto mayor es la amplitud del componente dinámico 3.50 3.00 2.50 40±5% 40+30% 40+55% 100 2.00 1.50 1.00 0.50 Ensaye A-5 10 20+30% 20+50% 20+70% Ensaye A-6 0.00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Número de ciclos (N) Datos de Ibarra, Mendoza, Rufiar y Barrera, 2005 1 1 10 100 1000 Número de ciclos (N)

POR QUÉ NECESARIAMENTE a = 1? SI Se pone en juego la resistencia residual Ante suelos con rigideces diferentes, no se desarrolla la resistencia máxima en todos los estratos y al mismo tiempo Criterio del Prof. Zeevaert: Adopta 60% de la resistencia no drenada y 10% más área lateral del pilote Práctica sueca con creep piles, basada en prototipos instrumentados: 70 a 80% de c u Las mediciones en una cimentación real instrumentada, bajo carga sostenida y largo plazo, arrojaron un factor a = 0.74 de adherencia :

Carga, kn Carga, kn Cargas sobre los pilotes durante el sismo de Tehuacán. Junio 15, 1999 Pilote P14C 760 740 728.9 696.5 A d Q =4.8% -ΔQ = 4.4% 720 700 680 660 7 800 700 A d Q = 22.7% -ΔQ = 9.6% 600 607.8 549 Pilote P40MS 500 400 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Tiempo, s

Presión, kpa Presión total, kpa Presión, kpa Presión vertical en el contacto losa-suelo durante el sismo de Tehuacán del 15 de junio, 1999 22 CELDA CP1 20 18 A d p = 16.8% +Δp = 23.3% 16 14 12 16.0 A d p = 5.4% +Δp = 4.2% 15.5 15.0 CELDA CP2 14.5 14.0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Tiempo, s Tiempo en segundos

Presión de poro, kpa Presión, kpa Presión de poro durante y después del sismo del 11 de enero, 1997. Piezómetro ZD3 a 27 m de profundidad 300 290 A d u=6.7% 1.88 m H 2 O 280 270 260 300 250 00:00 00:15 00:30 00:45 01:00 01:15 01:30 01:45 02:00 02:15 02:30 Tiempo, minutos:segundos 290 280 132 días 270 260 250 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Tiempo Tiempo, en minutos

Carga, kn Presión, kpa 800 01/12/96 01/12/96 31/12/96 31/12/96 30/01/97 30/01/97 01/03/97 01/03/97 31/03/97 31/03/97 30/04/97 30/04/97 30/05/97 30/05/97 700 Cargas sobre los pilotes, antes y después del sismo del 11 de enero, 1997 600 500 400 300 200 Sismo de la costa de Michoacán, 11/01/97 P14 P39 P64 P67 P4MI P4P P41 P4MS 100 30 Presiones en el contacto, antes y después del sismo del 11 de enero, 1997 25 20 15 Sismo Costa Michoacán 11/01/97 CP-1 CP-2 CP-3 CP-4 CP-A CP-B CP-C CP-D 10

APORTACIONES Y NORMATIVIDAD Las evidencias experimentales de campo y laboratorio antes expuestas, soportan el cambio que se introduce en las NTC-Cimentaciones 2014, en el sentido de que en pilotes de fricción hincados en suelos blandos de la ciudad de México, el factor de adherencia-fricción α < 1; se reconoce que se adopta el Método Alfa y que se trata de un análisis en términos de esfuerzos totales. es el factor de adherencia lateral pilote-suelo del estrato i, y resulta el cociente entre la resistencia en el fuste y la resistencia no drenada del suelo. La capacidad de carga reducida C f para suelos cohesivos se calculará en lo sucesivo como:

SOBRE EL COMPORTAMIENTO, DISEÑO Y NORMATIVIDAD DE PILAS COLADAS IN-SITU

INSTRUMENTACIÓN de PILAS

VIADUCTO BICENTENARIO PRUEBAS DE CARGA EN PILAS DE CIMENTACIÓN INSTRUMENTADAS, SITIO A72 Entre los apoyos A74 y A75, frente a la Unidad Cuauhtémoc del IMSS

ARREGLO GENERAL DEL ENSAYE ARREGLO GENERAL DEL ENSAYE PR1 PR4 PCA PCLS San Antonio f = 68 cm L = 26.5 m PCLC PR3 PR2 Periférico f = 68 cm L = 22.5 m Eje de la armadura de referencia Eje de marcos o armaduras de reacción Acot en cm

GATO HIDRÁULICO Y CELDAS DE CARGA EN CABEZAL

Carga aplicada en toneladas RESPUESTA AXIAL CARGA-DESPLAZAMIENTO PRUEBA DE CARGA EN PILAS DEL DISTRIBUIDOR VIAL SAN ANTONIO 1000 800 2a etapa 4a etapa 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Desplazamiento en mm

Microdeformación Microdeformaciones cerca de la cabeza y de la punta. Viaducto Bicentenario Comparación de microdeformaciones. Etapa de falla 700 600 500 Microdeformación media a 1m Microdeformacion media a 21m 400 300 200 100 0-100 00:00:00 01:00:00 02:00:00 03:00:00 04:00:00 Tiempo en horas 05:00:00 06:00:00 07:00:00

Carga, en t Aportaciones medidas del fuste y de la punta de la pila. Viaducto Bicentenario 1000 2a Etapa de falla 800 Punta Fuste 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Desplazamiento en cabeza, en mm

LECCIONES REFERENTES AL COMPORTAMIENTO DE PILAS Mediante pruebas de carga en pilas instrumentadas, se ha ratificado la alta capacidad de carga axial de pilas coladas in situ, en las zonas de Transición y Lomas de la ciudad de México. La capacidad de carga de pilas, supuestamente de punta, la aporta fundamentalmente la fricción en su fuste. La reacción de la punta sólo se logra con penetraciones muy grandes. El trabajo principal de pilas bajo condiciones de operación es por la fricción desarrollada en su fuste, dejando la capacidad de carga por punta como una gran reserva que puede ser puesta en juego, si se aceptan los importantes desplazamientos asociados. No ocurre degradación por la aplicación de cargas cíclicas axiales. Es necesario poner a revisión varios supuestos aceptados (pilas de punta) como válidos en la práctica de la ingeniería de cimentaciones.

NTC-CIMENTACIONES vigentes, para PILAS En algunos ámbitos de la práctica local permanece la idea que por muchos años se dio por cierta, de que las pilas construidas en suelos firmes trabajan primordialmente por punta, conociéndolas por ello en la jerga local como pilas de punta. Esa idea parece permear en las NTC-CIMENTACIONES (2004) vigentes, ya que carecen de un lineamiento expreso para evaluar la contribución por fricción del fuste en pilas coladas en suelos firmes de las Zonas I y II; se menciona que: En suelos firmes de la Zona I, se podrá agregar a la capacidad de carga por punta una resistencia por fricción calculada mediante la ec. 3.12, en la que la adherencia considerada no deberá ser mayor que el esfuerzo vertical actuante en el suelo al nivel considerado multiplicado por un factor de 0.3, y afectado con un factor de resistencia de 0.7 C f = A L f F R (3.12) Notar que se señala adherencia, y se recurre a la ec. 3.12, la que corresponde al numeral 3.5.1 del inciso b) Capacidad de carga del sistema suelo-pilotes de fricción.

RESISTENCIA CORTANTE EN EL FUSTE

RESISTENCIA CORTANTE EN EL FUSTE RESISTENCIA CORTANTE EN EL FUSTE SITIO SAN ANTONIO Tercio superior Tercio medio Tercio inferior

NTC-CIMENTACIONES. PILAS COLADAS IN-SITU POSIBLES ENFOQUES DE DISEÑO Y DE NORMATIVIDAD Método β basado en principios de Mecánica de Suelos. Dificultades prácticas Métodos empíricos con base en pruebas de campo, principalmente SPT y experiencias con pruebas de carga. Procedimiento práctico

RESISTENCIA FRICCIONANTE UNITARIA, f s, EN EL FUSTE DE PILAS Kulhawy (1989) Reese y O Neill (1989) y Método AASHTO (1998) Tomlinson (2001) Rollins, Clayton, Mikesell y Blaise (1997) Harraz, Houston, Walsh, Perry y Houston (2005) Rollins, Clayton, Mikesell y Blaise (2005) f s = K tan δ σ δ = f ( Φ, proceso constructivo) Si la técnica de construcción es conveniente, δ = Φ Si el proceso deficiente y con lodo, δ 0.8 Φ Método semi-empírico basado en 40 pruebas de carga: f s = β σ 20 t/m 2 β = 1.5 0.245 (z) 0.5 Cumpliendo que (z en metros) 0.25 β 1.2 f s = K σ tan δ 110 kpa K = coeficiente de esfuerzo horizontal, de 0.7 Ko a Ko σ = esfuerzo vertical efectivo medio sobre cierto estrato δ = ángulo de fricción en el contacto pila- suelo Introducen cambios al enfoque de Reese & O Neill (1989), al reconocer la influencia del porcentaje de gravas. Reconocen no sólo la influencia del porcentaje de grava, al igual que Rollins et al. (1997), sino que distinguen la influencia de la dilatancia que es tanto mayor cuanto menores son los esfuerzos. Proponen expresiones para el término β distinguiendo para ello intervalos de porcentajes de gravas entre 25 y 50%, y más de 50%. Para ello reunieron 28 pruebas de carga axial sometidas a extracción.

MODELOS DE PILAS COLADAS EN LABORATORIO. d=15 cm L=65 cm G%, D R %, rugosidad

ENSAYES DE EXTRACCIÓN BAJO CARGA AXIAL CONTROLADA Marco de reacción Gato y bomba hidráulica Transductores de desplazamiento Adquisidor de datos Celda de carga Pila colada in situ

CARACTERIZACÍÓN GEOMÉTRICA DE LOS MODELOS (ESCANEO TRIDIMENSIONAL)

MODELOS 3D ESCANEADOS M6P1 70%G M6P2 70%G M2P1 32%G M2P3 32%G

MEDICIONES DE LA RESISTENCIA f S EN EL FUSTE % de grava

Profundidad, m VALORES MEDIDOS DE β CON LA PROFUNDIDAD 0 0 5 Prof. media Beta Beta 10 15 20 m 32%G 70%G 0.3 11.4 24.9 0.3 12.9 0.3 12.6 2.9 1.2 1.5 25 0 0.5 1 1.5 5.6 0.7 Beta 2 2.5 3 G menor al 25% 6.6 G entre 250.6 y 50% G mayor al 50% Rollins y coautores Modelos de pilas 5 f s = b v

VALORES DE ΒETA SEGÚN ROLLINS Y COAUTORES (2005) Porcentaje de grava β Menos del 25% β = 1.5 0.245 z 0.5 ; 0.25 β 1.2 Entre 25% y 50% β = 2.0 0.15 z 0.75 con 0.25 β 1.8 Más del 50% β = 3.4 exp[-0.085z] con 0.25 β 3 Profundidad z, en metros

APORTACIONES y NORMATIVIDAD NTC-Cimentaciones 2014 m número de estratos friccionantes a lo largo del fuste del pilote o pila b i es el coeficiente de fricción elemento-suelo en el estrato i, que se estimará como: z i es la profundidad media del estrato i, en metros

10000 NTC-Cimentaciones, 2014 CONTRIBUCIÓN de la PUNTA de PILAS y PILOTES en SUELOS FRICCIONANTES N q 1000 100 10 10

NTC-Cimentaciones 2014 para la contribución de la PUNTA de una PILA Procedimiento actual teórico de equilibrio límite (Solución de Beresantsev) alternativamente Procedimiento empírico basado en ensaye SPT Wysockey (1999); Long y Wysockey (1999) y FHWA (1999 f s = 67N 60 (kpa) Pilas coladas in situ en arenas, para N 60 75. o con algún procedimiento basado en presiómetro!

COMENTARIOS FINALES La instrumentación geotécnica y sísmica en cimentaciones prototipo aporta información muy valiosa para la comprensión de los fenómenos que ocurren en pilas y pilotes, coadyuvando así a su mejor diseño (más seguro y económico). Es necesario monitorear más cimentaciones instrumentadas, para beneficio de la práctica y la normatividad de la ingeniería de cimentaciones en la ciudad de México.

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!