ManualdeProgramasGEO5 paraingenieros Parte2
Manual de Programas GEO5 para ingenieros Parte 2 Para los capítulos del 1-12, Favor de referirse al Manual de Programas GEO5 para ingenieros Parte 1 Capítulo 13. Pilotes de cimentación Introducción... 2 Capítulo 14. Análisis de Capacidad portante vertical en un pilote simple... 10 Capítulo 15. Análisis de asentamiento de pilote simple... 21 Capítulo 16. Análisis de Capacidad de carga portante vertical y asentamiento de pilotes investigando en base a los exámenes CPT... 31 Capítulo 17. Análisis de Capacidad portante horizontal en un pilote simple... 40 Capítulo 18. Análisis de Capacidad portante vertical y asentamiento de un grupo de pilotes... 48 Capítulo 19. Análisis de deformación y dimensionado de un grupo de pilotes... 57 1
Capítulo 13. Pilotes de cimentación Introducción El objetivo de este capítulo es explicar el uso práctico de los programas para análisis de pilotes de cimentación en GEO5. El programa GEO 5 contiene tres programas de análisis de pilotes de cimentación - Pilotes, Pilotes CPT y Grupo de Pilotes. Usted encontrará aquí explicaciones sobre que programa debe ser utilizado al presentarse determinadas condiciones Cada programa de forma individual se describe en otros capítulos. Carga-Capacidad portante vertical de pilotes de cimentación se puede determinar por varios métodos: Mediante un examen de pilote estático: estas pruebas son necesarias en algunos países y las funciones de análisis estructural sólo como una propuesta preliminar del pilote de cimentación; Mediante un análisis basado en los parámetros de resistencia al corte del suelo: Utilizando como métodos de análisis NAVFAC DM 7.2, Tomlinson, CSN 73 1002 y Tensión efectiva en los programas PILOTES y GRUPO DE PILOTES Mediante un análisis basado la evaluación de pruebas de penetración: Programa PILOTE por CPT; Mediante un análisis según las ecuaciones de las curvas de regresión obtenidas en los resultados de las pruebas de carga estáticas (según Masopust): programa PILOTES, La capacidad de carga portante vertical se determina a partir de la curva de carga del pilote de asentamiento correspondiente (permisible) (CSN 73 1002 estándar específico que corresponde al valor de asentamiento s lim 25. 0 mm ). Mediante un análisis basado en los parámetros de Mohr-Coulomb y propiedades de tensión-deformación del suelo: utilizando el llamado método Spring en el programa PILOTES y GRUPO DE PILOTES Mediante un análisis numérico utilizando el Método de Elementos Finitos: Programa MEF. Se entiende de esta lista que los pilotes se pueden evaluar de muchas maneras y en base de diferentes parámetros de entrada. Esto significa que los resultados de los análisis pueden ser idénticos, pero a menudo puede diferir significativamente. 2
La gran ventaja de GEO 5 es el hecho de que el usuario puede probar diferentes variantes y métodos de análisis, encontrar el comportamiento más probable de la cimentación y posteriormente determinar la capacidad portante total o el asentamiento de un solo pilote o de un grupo de pilotes. La capacidad portante vertical del pilote se evalúa en los programas GEO 5 (con la única excepción: Grupo de Piles - Método Spring) sólo para la carga de una fuerza normal vertical. La carga por fuerzas horizontales, de flexión y momentos de torsión no tiene ninguna influencia en el análisis de la capacidad portante carga vertical de los pilotes. El procedimiento de la capacidad portante de carga vertical de para el análisis de un solo pilote en el programa GEO 5 PILOTES; se presenta en los Capítulos 14 y 3, mientras que el análisis del mismo pilote basado en pruebas CPT se describe en el Capítulo 16. Capacidad portante horizontal en pilotes de cimentación El resultado del análisis para un pilote cargado horizontalmente es la deformación horizontal del pilote y la curva de fuerzas internas a lo largo del eje del pilote. En el caso de un solo pilote, su deformación horizontal y refuerzo dependen del módulo calculado de reacción horizontal del subsuelo y de la carga por fuerza lateral o momento de flexión. El procedimiento del análisis se explica en el Capítulo 17. El análisis de un grupo de pilotes se presenta en el Capítulo 19. Asentamiento de pilotes de cimentación: La capacidad de carga portante actual de un pilote se asocia directamente con su asentamiento por el hecho de que virtualmente cualquier pilote se asienta bajo la acción de carga y se deforma verticalmente. El asentamiento de pilotes individuales se determina en el programa PILOTES por los siguientes métodos: Según Masopust (no lineal): el programa analiza el asentamiento de un solo pilote sobre la base de los coeficientes de regresión a lo largo de la piel del pilote y bajo su base. Según Poulos (lineal): el programa analiza el valor del asentamiento total sobre la base de la capacidad portante determinada de la base del pilote R b y la capacidad portante de la piel del pilote R s. 3
por medio del Método de Spring: el programa analiza la curva de carga en función de los parámetros de suelos establecidos utilizando el Método de los Elementos Finitos. El programa PILOTES construye la curva de carga (el llamado diagrama de trabajo) para todos los métodos. El asentamiento de un grupo de pilotes se describe en el Capítulo 18, el asentamiento de pilotes diseñados sobre la base de pruebas de penetración CPT se presenta en el Capítulo 16. Selección de Programas: 1. Decisión según la rigidez de la placa base (tapa de pilote). Cuando la tapa del pilote se considera infinitamente rígida, se utiliza el programa Grupo de pilotes. En los otros casos se investigan pilotes individuales. 2. Decisión según el resultado de investigaciones geológicas. Si los resultados de las pruebas CPT están disponibles, el programa Pilote por CPT se utiliza para el análisis de pilotes individuales o grupos de pilotes (véase el Capítulo 16). En los otros casos el Programa Pilote (o Grupo de pilotes) se utiliza para la determinar la solución, sobre la base de los parámetros del suelo establecidos. La distinción en función del tipo de análisis está dada por: El análisis por condiciones drenadas: parámetros efectivos de resistencia al corte de los suelos se utilizan en las pilas y los programas de grupo de pilotes como un estándar para los métodos de análisis CSN 73 1002 Efectiva y el estrés; 4
El análisis por condiciones sin drenar: sólo el valor de cohesión total del suelo c u se configura en los Programas Pilotes y Grupo de Pilotes. La capacidad de carga portante vertical de un solo pilote se determina según Tomlinson, mientras que un grupo de pilotes se analiza como la capacidad de carga portante de un cilindro de suelo (bloque) de acuerdo con la FHWA. El método NAVFAC DM 7,2 combina ambos procedimientos de análisis mencionados anteriormente. Es posible para cada capa de suelo elegir si el suelo se considera como drenado (no cohesivos) o sin drenar (cohesivo). Especificaciones generales del problema: Analizar la capacidad de carga portante vertical y el asentamiento de un pilote de cimentación (ver el gráfico) en el perfil geológico configurado, determina con mayor precisión la deformación horizontal del pilote y propone un refuerzo para pilotes individuales. El pilote de cimentación consta de cuatro pilotes con el diámetro d 1. 0 m y la longitud l 12. 0 m. La resultante de la carga total N, M y, H actúa a nivel de la superficie superior de la losa de x cimentación (tapa del pilote), en el centro de la losa. El C 20/25 de hormigón armado se utiliza para los pilotes. Perfil Geológico 0.0 a 6.0 m: Arcilla arenosa (CS, consistencia firme), Debajo de 6,0 m: Arena de grano fino (S-F, densidad de suelo media). Nota: Los parámetros básicos de suelos son los mismos para el cálculo de pilote simple y la para la verificación del grupo de pilotes. Los valores se distinguen en la siguiente tabla: Parámetros de Suelo (Clasificación de suelo) 3 Unidad de peso kn m Arcilla arenosa (CS, consistencia firme) 18,5 17,5 Unidad de peso de suelo saturado 20,5 19,5 Cohesión del suelo c ef kpa 14,0/50,0 0/0 Ángulo de fricción interna 0,6 - ef Arena de trazos finos (S-F, suelo de densidad media) 5
Factor de Adhesión Índice de Poisson 0,3 0,45 0,35 0,3 Módulo edométrico E oed MPa 8,0 21,0 Módulo de deformación 5,0 15,5 Tipo de Suelo Arcilla (suelo cohesivo) Arena, Gravel (suelo no cohesivo) Ángulo de dispersión Coeficiente Módulo de componente horizontal Módulo de elasticidad 10,0 15,0 60,0 150,0-4,5 5,0 15,5 Tabla de parámetros del suelo pilotes de cimentación (resumen) Cargas actuando en el pilote: Para la simplificación del problema siempre tendremos en cuenta 1 caso de carga en el programa. La determinación de las cargas que actúan sobre el pilote de cimentación es diferente dependiendo del tipo de estructura y la solución posterior, es decir, si resolvemos un pilote simple o un grupo de pilotes Grupo de Pilotes Suponemos que la losa unida al pilote es rígida. En nuestro caso vamos a considerar una tapa de pilote con espesor tapa del pilote. t 1. 0 m. En este caso se determina la reacción total en el centro de la Nota: Un método simple para obtención de cargas en un grupo de pilotes mediante cualquiera de los programas estáticos se describe en la Ayuda del Programa Grupo de pilotes "Determinación de carga en un grupo de pilotes". 6
a) Diseño (cálculo) de cargas: Fuerza Normal vertical: N 5680 kn, Momento de flexión: M y 480 knm, Fuerza horizontal: H x 310 kn. b) Cargas impuestas (trabajando): Fuerza Normal vertical: N 4000 kn, Momento de flexión: M y 320 knm, Fuerza horizontal: H x 240 kn. Esquema de especificación del Problema Pilote de cimentación 7
Pilotes Simples: Si la losa es suave en flexión (no rígido) o la construcción está fundada en una tapa de pilote, el diagrama estructural es diferente y obtendremos reacciones en la cabeza de los pilotes individuales desde un programa estático (por ejemplo, GEO 5 Losa, FIN 3D, SCIA Engineer, Dlubal RStab etc.). Nota: Si asumimos dimensiones y refuerzos de pilotes idénticos, podemos evaluar todos los pilotes como uno solo, pero con combinaciones de carga actuando sobre todos los pilotes. En este ejemplo, lo simplificamos llevando a cabo el análisis del pilote con un solo caso de carga. a) Diseño de cargas: Fuerza Normal vertical: N 1 1450 kn, Momento de flexión: M y, 1 120 knm, Fuerza horizontal: H x, 1 85 kn. b) Servicio de carga: Fuerza Normal vertical: N 1 1015 kn, Momento de flexión: M y, 1 80 knm, Fuerza horizontal: H x, 1 60 kn. Esquema de acción de cargas distribución de la carga entre pilotes individuales 8
Lista de capítulos relacionados con pilotes de cimentación: Capítulo 13: Pilotes de cimentación Capítulo 14: Análisis de Capacidad portante vertical en un pilote simple Capítulo 15: Análisis de asentamiento de pilote simple Capítulo 16: Análisis de pilotes basados en exámenes CPT Capítulo 17: Análisis de Capacidad portante horizontal en un pilote simple Capítulo 18: Análisis de Capacidad portante vertical y asentamiento de un grupo de pilotes Capítulo 19: Análisis de deformación y dimensionado de un grupo de pilotes 9
Capítulo 14. Análisis de Capacidad portante vertical en un pilote simple El objetivo de este capítulo es explicar la aplicación del Programa GEO 5 - PILOTES para el análisis de la capacidad de carga portante vertical de un pilote en un problema práctico específico. Especificación del problema Las especificaciones generales del problema se describen en el capítulo anterior (13 pilotes -. Introducción). Todos los análisis de la capacidad portante vertical de un solo pilote se llevarán a cabo en cumplimiento de los requisitos de la norma EN 1997-1 (enfoque de diseño 2). La resultante de los componentes de carga N1, M y,1, H x, 1 actúa a nivel de cabeza del pilote Esquema Especificación del problema Pilote individual Solución: Vamos a aplicar el Programa GEO 5 - PILOTES para el análisis de este problema. A continuación describimos la solución paso a paso. En este análisis se evaluará un solo pilote utilizando diversos métodos de cálculo analíticos (NAVFAC 7,2 DM, TENSION EFECTIVA y CSN 73 1002) y nos centraremos en los parámetros de entrada que influyen en los resultados generales. En las nuevas versiones del programa GEO 5 PILOTES habrá más métodos disponibles, al momento (julio de 2013) se está 10
trabajando en el método Ruso SNiP y el Chino GB. El sistema de trabajo con el programa permanecerá sin cambio. Definición de especificaciones: En el cuadro Configuración, presionamos le botón Seleccionar Configuración (en la parte inferior izquierda de la pantalla), y luego seleccionamos el análisis "Standard - EN 1997 - DA2". Además configuramos el método de análisis de la capacidad portante vertical de un pilote con la solución analítica. En nuestro caso vamos a evaluar el pilote en condiciones drenadas. Cuadro Lista de configuraciones Vamos a utilizar el método de NAVFAC DM 7.2, que está definido por defecto para esta configuración de análisis, para la evaluación inicial del pilote (ver la imagen). Cuadro Configuración de Análisis 11
En el siguiente paso vamos a especificar el perfil geológico. Dejaremos el "Módulo k h " fuera de este ejercicio, por el hecho de que en este análisis no analizamos la carga lateral. En nuestro caso, por lo tanto, no importa qué valor se especifica para el "ángulo de dispersión ", porque este parámetro no afecta en absoluto el valor del resultado de la capacidad de carga portante vertical del pilote. Además vamos a definir el resto de los parámetros de los suelos necesarios para el análisis y asignarlos al perfil. El método NAVFAC DM 7.2 requiere que el tipo de suelo se define primero, es decir, si se trata de una capa de suelo cohesivo o no cohesivo. Todos los parámetros enumerados a continuación influyen en la magnitud de fricción interna R s kn. Suelo (clasificación de suelo) Unidad de peso kn 3 m Ángulo de fricción interno ef c Cohesión del suelo ef / c u kpa Factor de adhesión Coeficiente de capacidad portante p CS Arcilla arenosa, consistencia firme S-F Arena de trazos finos, densidad del suelo media 18.5 24.5 - / 50 0.60 0.30 17.5 29.5 0 / - - 0.45 Tabla de parámetros del suelo Capacidad portante vertical (Solución analítica) Para la primera capa, que se considera como suelo cohesivo sin drenaje (clase F4, consistencia firme), debemos especificar la cohesión total del suelo (resistencia al corte sin drenaje) c u kpa y el llamado factor de adhesión. Este factor se determina en relación a la consistencia del suelo, el material del pilote y la cohesión total del suelo (para más detalles, vea la Ayuda - F1). Para la segunda capa, que se considera como el suelo granular (clase S3, densidad media), hay que especificar el ángulo de fricción interno Además debemos definir el coeficiente de tensión lateral, el cual depende del material del pilote. K, el cual se ve afectado por el tipo de carga (tensión - presión) y por la tecnología de instalación del pilote (para más información, ver la Ayuda - F1). Para la simplificación del problema, seleccionaremos la opción "Calcular" para las dos variantes. 12
Cuadro Añadir nuevo suelo En el cuadro "Material", especificamos las características del material del pilote- unidad de peso de la estructura. 23.0 kn m 3 Cuadro Material Luego definimos la carga que actúa sobre el pilote. El diseño de Estado último (cálculo) se considera para el cálculo de la capacidad de carga portante vertical del pilote, mientras que el diseño de Estado de servicio se considera para el cálculo de asentamiento 13
Cuadro Nueva carga En el cuadro "Geometría" especificamos la sección transversal circular del pilote y determinamos sus dimensiones básicas, es decir, el diámetro y la longitud. A continuación definimos el tipo de tecnología de instalación de pilotes. Cuadro Geometría Mantenemos el cuadro "NF + subsuelo" sin cambios. En el cuadro de "Configuración de etapa" mantenemos la situación de diseño como permanente y luego pasamos a la evaluación del pilote en el cuadro "Capacidad Vertical". Análisis de la capacidad de carga portante vertical de un solo pilote - Método de análisis NAVFAC DM 7.2 En primer lugar hay que especificar en el cuadro "Capacidad Vertical" los parámetros de cálculo que afectan la magnitud de la capacidad portante base del pilote R b kn. Primero definimos el factor de análisis de la profundidad crítica 14 k dc, que se deriva de la llamada profundidad crítica en función de la densidad del suelo (para más información, vea la Ayuda - F1). Consideramos este coeficiente como k 1, 0 dc
Otro parámetro importante es el coeficiente de capacidad portante N q, que se determina según el tamaño del ángulo de fricción interna del suelo en relación con la tecnología de instalación del pilote (para más detalles visite Ayuda - F1). En este caso vamos a considerar. ef N q 10.0 Cuadro Capacidad Portante Vertical según NAVFAC DM 7.2 La capacidad portante vertical de un pilote cargado en el centro R c kn consiste en la suma de la fricción interna R y la resistencia en la base del pilote R. Para cumplir con la s condición de fiabilidad, su valor debe ser mayor a la magnitud del estado último V d kn que actúa sobre la cabeza del pilote. NAVFAC DM 7.2: R 2219.06 kn V 1450. kn ACEPTABLE. c d 0 b Análisis de la capacidad portante vertical de un solo pilote - método de análisis TENSION EFECTIVA Ahora volvemos a la configuración de los datos de entrada y llevaremos a cabo el análisis de la capacidad portante vertical de un sol pilote con otros métodos de análisis (tensión efectiva y CSN 73 1002). 15
En el cuadro "Configuración" seleccionamos "Editar". En la solapa "Pilote" para el cálculo de condiciones con drenaje, seleccionamos la opción "Tensión efectiva". Los demás parámetros se mantendrán sin cambios. Cuadro Editar la configuración actual A continuación, vaya al cuadro "Suelos", en el cual definimos, para este método de análisis, el coeficiente de capacidad portante del pilote p, lo que afecta la magnitud de la fricción interna R s kn. Este parámetro se determina según el ángulo de fricción interna del suelo y el tipo de suelo (para más información, visita Ayuda - F1). ef 16
Cuadro Modificar parámetros de suelo; 0,3 para la primer capa, 0,45 para la segunda capa Los demás cuadros se mantienen sin cambios. Ahora volvamos al cuadro "Capacidad Vertical". Para el método de la tensión efectiva primero especificamos el valor del coeficiente de capacidad portante pilote kn R b N p, que afecta significativamente la capacidad portante base del. Este parámetro se determina según el tamaño del ángulo de fricción interna del suelo y el tipo de suelo (para más detalles visite la Ayuda - F1). ef La influencia significativa de este parámetro en el resultado, se demuestra por la siguiente tabla: para 10 para 30 para 60 N (Base del pilote en suelo arcilloso): R b 1542. 44 kn p p, N (Base del pilote en suelo arenoso): R b 4626. 71 kn p, N (Base del pilote en suelo de grava): R b 9253. 42 kn. Para nuestro problema en particular consideramos el coeficiente de capacidad portante N 30 (base del pilote en el suelo arenoso). Los valores de referencia de N p se pueden p encontrar en la Ayuda - F1. Cuadro Capacidad Portante Vertical según Método de tensión efectiva TENSION EFECTIVA ACEPTABLE. 17
Análisis de la capacidad de carga portante vertical de un solo pilote - Método de análisis CSN 73 1002 Ahora volvamos al cuadro "Configuración", donde cambiamos el método de análisis de las condiciones de drenaje en el cuadro de diálogo "Editar configuración actual" a "CSN 73 1002". Todos los demás otros parámetros de entrada se mantendrán sin cambios. Cuadro Editar configuración actual Nota: El procedimiento de análisis se presenta en la publicación "Pilotes de cimentación - Comentarios sobre el CSN 73 1002" (Capítulo 15: Proyectos, parte B - Solución general según el grupo 1 de la teoría de estados límite, en la página 15). Todos los procedimientos del programa se basan en las relaciones contenidas en este texto, con la excepción de los coeficientes de cálculo, que dependen de la metodología de evaluación adoptada (para más información, visite la Ayuda - F1). A continuación volvemos a evaluar el pilote en el cuadro "Capacidad Vertical". Dejaremos el coeficiente de influencia tecnológica igual a 1,0 (el análisis de la capacidad portante vertical de un pilote sin la reducción debido a la tecnología de instalación). 18
Capacidad Portante Vertical según CSN 73 1002 CSN 73 1002: R 5776.18 kn V 1450. kn ACEPTABLE. c d 0 Capacidad portante vertical del resultado del análisis de pilote simple: Los valores de la capacidad portante vertical total R c de un pilote difieren dependiendo de los métodos de análisis utilizados y los parámetros de entrada asumidas por estos métodos: NAVFAC DM 7.2: Factor de adhesión, Ángulo de fricción de la piel del pilote Coeficiente de tensión lateral de suelo, K, Coeficiente para análisis de la profundidad crítica Coeficiente de capacidad portante N. q dc k, TENSIÓN EFECTIVA: Coeficiente de capacidad portante del pilote Coeficiente de capacidad portante CSN 73 1002: Cohesión del suelo c ef kpa,, p p N. Ángulo de fricción interna del suelo. ef 19
Los resultados del análisis de la capacidad portante vertical de un solo pilote en condiciones drenadas en relación al método de análisis utilizado, se presentan en la tabla siguiente: EN 1997-1, DA2 (condiciones drenadas) Método de análisis Capacidad portante de la piel del pilote R s kn Capacidad portante de la base del pilote R b kn Capacidad portante Vertical R c kn NAVFAC DM 7.2 676.82 1542.24 2219.06 TENSIÓN EFECTIVA 1546.09 4626.71 6172.80 CSN 73 1002 1712.58 4063.60 5776.18 Esquema de resultados Capacidad Portante Vertical de un pilote con condiciones drenadas La capacidad portante vertical total de un único pilote cargado en el centro R c es mayor que el valor del Estado último V d que actúa sobre él. La condición fundamental del estado límite último se cumple, por lo tanto el diseño de pila es satisfactorio. Conclusión: Se desprende de los resultados del análisis que la capacidad portante vertical total de un pilote es diferente. Este hecho es causado tanto por los diferentes parámetros de entrada y por el método de análisis elegido. La evaluación de los pilotes depende en primer lugar del método de análisis elegido y de los parámetros de entrada que describen el suelo. Los diseñadores siempre deben utilizar los procedimientos de cálculo donde los parámetros del suelo requeridos derivan de los resultados de los estudios ingeniería geológica que reflejan las prácticas locales. En República Checa y Eslovaquia los autores del software GEO5 recomiendan calcular la capacidad portante vertical de un solo pilote utilizando los siguientes métodos: a) Análisis considerando el valor de asentamiento permisible s lim 25 mm (procedimiento según Masopust, que se basa en la solución de ecuaciones de curvas de regresión). b) Análisis según CSN 73 1002. El procedimiento de análisis del pilote permanece idéntico a la que figura en el CSN, pero los coeficientes de carga y el cálculo de reducción de los parámetros del suelo o la resistencia al pilote se especifican según la norma EN 1997-1. Por tanto, este análisis se ajusta plenamente a la norma EN 1997-1. 20
Capítulo 15. Análisis de asentamiento de pilote simple El objetivo de este capítulo es explicar la aplicación del Programa GEO5 PILOTE para el análisis de la solución de un simple pilote en un problema práctico específico. Especificación del problema: Las especificaciones de problemas generales se describen en el capítulo 13. Pilotes - Introducción. Todos los análisis de asentamiento de un simple pilote que se llevarán a cabo como seguimiento al problema anterior del Capítulo 14 Análisis de Capacidad portante vertical en un pilote simple Esquema de especificaciones del problema Pilote simple Solución: Para el análisis de este problema vamos a utilizar el Programa de GEO5 Pilote, En el texto a continuación se describe paso a paso la solución a este ejemplo. En este análisis vamos a calcular la solución de un pilote simple con los siguientes métodos: Teoría asentamiento lineal (según Prof. Poulos), Teoría asentamiento no lineal (según Masopust). Curva de carga lineal (solución según Poulos) se determina a partir de los resultados de cálculo de la capacidad portante vertical del pilote. La entrada fundamental en este cálculo comprende la capacidad portante de la piel del pilote y los valores de capacidad 21
portante de la base del pilote - R s y R b. Estos valores se obtienen a partir del análisis anterior de la capacidad portante vertical de un solo pilote en función del método aplicado (NAVFAC DM 7.2, tensión efectiva, CSN 73 1002 o Tomlinson). Curva de carga no lineal (solución según Masopust) se basa en la especificación utilizada en los llamados coeficientes de regresión. El resultado es por lo tanto independiente de los métodos de análisis de la capacidad portante y por lo tanto se puede utilizar incluso para la determinación de la capacidad portante vertical de un pilote simple, donde la capacidad portante corresponde a la solución permisible (normalmente 25 mm). Especificaciones de procedimiento: La teoría de solución lineal (POULOS) Dejaremos la configuración de análisis sin cambios según el problema anterior "estándar - EN 1997 - DA2", con análisis de la capacidad portante según NAVFAC 7,2 DM. La curva de carga lineal (Poulos) ya se ha especificado para estos parámetros de análisis. Cuadro Configuración de Análisis Nota: El análisis de la curva de carga límite se basa en la teoría de la elasticidad. El suelo se describe por el módulo de deformación E def y la índice de Poisson. Este método determina la posible curva de carga límite para los siguientes pilotes: pilote de extremo de resistencia: propicio para tipos de suelos comunes, por ejemplo, suelos de densidad media y denso sin cohesión (arenas, gravas), arcillas rígidas y duras, muy duras y semi-rocoso - en este caso la base del pilote transfiere parte de la carga al suelo. Pilote flotante: adecuado para su uso en arcillas blandas, arenas flotantes y suelos cohesivos de grano fino - en este caso se asume cero como capacidad portante en la base del pilote R b En este caso, el pilote se instala en arena, por lo que será considerado como pilote de extremo de resistencia. La condición de cálculo básico es que la superficie de fricción 22 R sy se determina en el momento en que la capacidad portante de la piel del pilote no tiene más
aumentos y cualquier otra carga se transfiere solo por la base del pilote (para más información, visite la Ayuda - F1). En el siguiente paso vamos a definir las propiedades de deformación de los suelos necesarios para el análisis de asentamiento, es decir, módulo edométrico Edef y el índice de Poisson. Suelo (Clasificación de suelo) Unidad de peso kn m 3 Ángulo de fricción interna ef Cohesión del suelo kpa c ef E oed, o módulo de deformación Índice de Poisson Módulo edométrico E oed CS Arcilla arenosa, consistencia firme 18.5 24.5 14.0 0.35 8.0 S-F Arena de trazos finos, densidad del 17.5 29.5 0.0 0.30 21.0 suelo media Tabla de parámetros del suelo Asentamiento de un pilote simple MPa A los efectos de analizar el asentamiento de un solo pilote vamos a diseñar como Estado de servicio (trabajo). Cuadro Nueva carga Dejaremos los otros cuadros sin cambios. Luego nos dirigimos hacia el análisis de los asentamientos en el cuadro de "Asiento". Especificamos los módulos secante de la deformación E s MPa para los suelos individuales utilizando el botón "Editar E s ". 23
Para la primera capa de suelo cohesivo ( I 0. 5 ) fijaremos el valor recomendado del módulo secante de la deformación E s 17. 0 MPa. c Para la segunda capa de suelo cohesivo (clase S3 I 0. 5 ), asumiremos el módulo d secante con valor de deformación E s 24. 0 MPa según la tabla. Cuadro Entrada de curva de asentamiento de carga Módulo de deformación secante E s Nota: El módulo de deformación secante depende del diámetro del pilote y del espesor de las capas individuales del suelo. Los valores de este módulo deben ser determinados sobre la base de ensayos in situ. Su valor para suelos no cohesivos y cohesivos depende además del índice de densidad relativa I d y de los índices de consistencia I c, respectivamente Cuadro Asiento Curva de carga lineal (Solución según Poulos) 24
Además vamos a configurar el asentamiento límite, que es el valor del asentamiento máximo para el que se calcula la curva de carga. Haremos clic en el botón "En detalle" y se presentará el valor del asentamiento calculado para la máxima carga de servicio. Para el análisis de la capacidad portante vertical utilizando NAVFAC DM 7.2, la resultante del asentamiento de un pilote simple es s 11. 3 mm. Análisis de asentamiento de un pilote simple: teoría de asentamiento lineal (POULOS), los demás métodos Ahora volvamos a los ajustes de los datos de entrada. En el cuadro de "Configuración" seleccionar el botón "Editar". En el submenú "Pilote" para el análisis en subsuelos con drenaje vamos a seleccionar la opción "Tensión efectiva". Los demás parámetros de entrada se mantendrán sin cambios. Cuadro Editar la configuración actual Luego vamos al cuadro "Asiento", donde veremos los resultados. La magnitud del asentamiento máximo, el tipo de pilote y el módulo de deformación secante idénticos a los utilizados en el caso anterior. E s se mantienen Para la capacidad portante vertical de un solo pilote determinado según el método de TENSIÓN EFECTIVA, el asentamiento resultante es s 6. 1 mm. 25
Cuadro Asiento Curva de carga lineal (según Poulos) para el método de tensión efectiva Luego en el cuadro "Configuración" seleccionar el botón "Editar". En el submenú "Pilote" para el análisis en subsuelos sin drenar, vamos a seleccionar la opción " CSN 73 1002". Cuadro Editar la configuración actual Para la capacidad portante vertical de un pilote simple que se determina con el método CSN 73 1002, el análisis de asentamiento del pilote s 6. 1 mm. 26
Cuadro Asiento Curva de carga lineal (según Poulos) para el método CSN 73 1002 Los resultados del análisis de asentamiento de un pilote simple según teoría lineal (Poulos) dependiendo del método de análisis de la capacidad portante vertical utilizada, se presentan en la siguiente tabla: Curva de carga lineal método de análisis Cargar en el inicio de la movilización la superficie de fricción kn R yu Resistencia R c kn para total s 25, 0 mm lim Asentamiento de un pilote simple NAVFAC DM 7.2 875.73 1326.49 11.3 TENSIÓN EFECTIVA 2000.47 2303.40 6.1 CSN 73 1002 2215.89 2484.40 6.1 Resumen de los resultados - Asentamiento de un pilote simple según Poulos s mm Análisis de asentamiento de un pilote simple: Teoría de asentamiento no lineal (Masopust) Esta solución es independiente de los análisis anteriores de capacidad portante vertical de un pilote simple. El método se basa en la solución de ecuaciones de curvas de regresión según los resultados de las pruebas de carga estática del pilote. Este método de solución se utiliza en la República Checa y Eslovaquia. Ofrece resultados fiables para las condiciones geológicas de ingeniería local. Hacemos clic en el botón "Editar" en el cuadro "Configuración". En la solapa "Pilote" para la curva de carga elegimos la opción de "no lineal" (Masopust) 27
Cuadro "Editar la configuración actual Los demás datos no se modifican. Luego nos dirigiremos hacia el cuadro "Asiento". Consideramos la carga de servicio para la curva de carga límite no lineal porque este es un caso del análisis según con los estados límite de capacidad de servicio. Dejaremos el valor del factor de protección en m 1. 2 0, por lo tanto, no vamos a reducir el valor resultante de la capacidad portante vertical del pilote respecto a la tecnología de instalación. Dejaremos los valores del asentamiento permisible (máximo) idénticos a los utilizados en los análisis anteriores. s lim y el módulo de deformación secante E s, Cuadro Asiento Solución según la teoría de asentamiento no lineal (Masopust) 28
Ahora vamos a configurar los valores de los coeficientes de regresión utilizando los botones "Editar a, b" y "Editar e, f". Cuando la edición se lleva a cabo, se muestran los valores de los coeficientes de regresión recomendados para los distintos tipos de suelos y rocas en la ventana de diálogo. Cuadros Entrada de curva de asentamiento de carga Coeficientes de regresión a,b Botón Editar a,b Cuadro Entrada de curva de asentamiento de carga Coeficientes de regresión e,f Botón Editar e,f 29
Nota: La superficie de fricción específica depende de los coeficientes de regresión "a, b". La presión sobre la base de pilote (en la superficie de fricción totalmente movilizada) depende de los coeficientes de regresión "e, f". Los valores de estos coeficientes de regresión se obtuvieron de las ecuaciones de curvas de regresión determinadas sobre la base de un análisis estadístico de resultados de unas 350 pruebas de carga estática de pilote en República Checa y Eslovaquia (para más información, visita Ayuda - F1). Para suelos no cohesivos y cohesivos, estos valores dependen del índice de densidad relativa I d y del índice de consistencia I c, respectivamente (para más información, visita Ayuda - F1). El asentamiento del pilote para la carga de trabajo específica es s 4. 6 mm Cuadro "Asiento" - curva de carga no lineal (según Masopust) Nota: Este método se utiliza incluso para el análisis de la capacidad de carga portante del pilote, donde el programa calcula por sí mismo la capacidad portante del pilote para el asiento límite (normalmente 25 mm). Total de capacidad de carga portante para lim ACEPTABLE s : R 1681.67 kn V 1015. kn c d 0 Conclusión: El programa calcula el asentamiento del pilote para la carga de servicio especificada dentro del rango de 4.6 a 11.2 mm (dependiendo del método utilizado). Este asentamiento es más pequeño que el asentamiento máximo permisible el pilote por lo tanto es satisfactorio desde el 2ndo. punto de vista de Estados límite 30
Capítulo 16. Análisis de Capacidad de carga portante vertical y asentamiento de pilotes investigando en base a los exámenes CPT El objetivo de este capítulo es explicar el uso del programa Pilote por CPT de GEO 5 Especificación del problema: En normas generales el problema se describe en el capítulo 13 pilotes de cimentación -. Introducción. Analiza la capacidad portante y el asentamiento de un pilote simple, o de un grupo de pilotes según la EN 1997-2. Tabla de especificaciones del problema pilote simple investigado según las pruebas CPT Solución: Vamos a aplicar el programa Pilote por CPT de GEO5 para el análisis de este problema. En el texto a continuación se describe la solución a este ejemplo paso a paso. Haremos clic en el botón "Seleccionar Configuraciones" (en la parte inferior izquierda de la pantalla) y en el cuadro "Lista de Configuraciones" vamos a elegir como configuración de análisis "Estándar - EN 1997". El enfoque de diseño no es importante, el análisis se lleva a cabo según la norma EN 1997-2: Diseño Geotécnico - Parte 2: Estudio del suelo y pruebas. 31
Cuadro Lista de configuraciones En el primer análisis se evaluará un pilote simple, por lo tanto, no vamos a especificar, 3 la reducción de los coeficientes de correlación 4. No vamos a tener la influencia del rozamiento negativo en consideración. En este cuadro, también es posible especificar el factor parcial del modelo incierto, que se utiliza para reducir la capacidad portante total calculada del pilote - dejaremos el valor estándar de 1,0. Cuadro Configuración, 3 Nota: Los coeficientes de correlación 4, incluso la capacidad portante total del pilote, dependen del número de pruebas CPT completados. Cuando tenemos más pruebas CPT terminados disponibles, la magnitud de los coeficientes de correlación es menor. Para un ensayo completado de penetración estática los valores son 1. 4 de acuerdo a la Tabla 3, 4 A.10 - Coeficientes de correlación para derivar valores característicos de las capacidades del pilote a partir de pruebas en suelo presentados en la norma EN 1997-1 (Parte A.3.3.3). En el siguiente paso vamos a definir los parámetros de los tipos de suelo que se utilizarán en el análisis y que se asignarán al perfil. Para la evaluación según EN 1997-2 32
debemos definir primero el tipo de suelo, y determinar si la capa de suelo es arcillosa o arenosa o pedregosa. El tipo de suelo determina la magnitud de los coeficientes para el cálculo de rozamiento y la capacidad portante de la base del pilote. Además vamos a configurar el tamaño de ángulo de fricción interna y el peso del volumen. Dejaremos el rozamiento calculado reduciendo el coeficiente con la posibilidad de cálculo adicional - el programa permite a los usuarios introducir estos valores en casos especiales de forma manual, pero utilizar los coeficientes según las respectivas normas es un procedimiento común (para más información, visite la Ayuda - F1). s Cuadro Añadir nuevo suelo suelo arcilloso (clase F4) En el caso de suelos arenosos y llenos de grava debemos además introducir el tamaño de los granos y el índice de sobreconsolidación (OCR). Este parámetro reduce el valor de la tensión máxima en la base del pilote p MPa max, pata. En nuestro caso particular, consideramos este valor como el tamaño del grano y como "arena más fina que 600 nm ". (Para más información, visite la Ayuda - F1). 33
Cuadro Añadir nuevo suelo Arena de trazos finos (clase S3) En el cuadro "Estructura" vamos a seleccionar la opción de "pilote simple". A continuación, vamos a ingresar en la magnitud máxima de carga vertical que actúa sobre el pilote. La carga de diseño y carga de servicio se utilizan para el análisis capacidad portante del pilote y el análisis de asentamiento del pilote, respectivamente. Cuadro Estructura En el cuadro "Geometría" vamos a ingresar el material del pilote y a especificar las dimensiones básicas, es decir, el diámetro del pilote y la longitud en el terreno. A continuación vamos a definir la tecnología del pilote de ejecución. En este caso particular, tenemos pilotes perforados, con el pozo de sondeo sin entubar o estabilizado con lodo de perforación. Vamos a mantener el cálculo del coeficiente de resistencia en la base del pilote posibilidad de cálculo adicional (similar al coeficiente s ). 34 p, con la
Cuadro Geometría En la sección CPT seleccionamos "Importar CPT" para importar los ensayos completos al programa. En este caso vamos a importar los ensayos CPT en el programa utilizando un archivo *. TXT (mediante el botón "Importar"), para lo cual vamos a elegir el sistema de unidad métrico m, MPa, kpa. Al hacer clic en el botón "Añadir" se abrirá la vista previa del archivo dado desde el que vamos a importar los datos respectivos. A continuación, vamos a confirmar todo por el botón "Importar". Cuadro Importar CPT 35
Cuadro Editar Ahora vamos a verificar un pilote simple utilizando el cuadro Capacidad portante, en el que vamos a comprobar los resultados del cálculo. Al hacer clic en el botón "En detalle" tendremos además los resultados intermedios para el análisis de la capacidad portante vertical del pilote. Cuadro Verificación (detallada) Capacidad portante vertical 36
La capacidad portante vertical de un pilote R c, d consiste en el resumen de rozamiento y la resistencia en la base del pilote (para más información, visite la Ayuda - F1). Para cumplir con la condición de fiabilidad, su valor debe ser mayor que la magnitud de la carga de diseño F,. s d EN 1997-2: Rc, d 4505.12 kn Fs, d 1450. 0 kn SATISFACTORIO. Posteriormente en el cuadro "Asentamiento", se muestra la curva de carga máxima del pilote y los resultados del asentamiento total del pilote w1, d 2. 2 mm para la carga de servicio F s 1015 kn. Cuadro Asentamiento Curva de carga definitiva (diagrama de trabajo) para un pilote Especificación, procedimiento y análisis: Grupo de pilote Ahora vamos a llevar a cabo la evaluación de un grupo de pilotes con una malla rígida. En el cuadro de "Configuración" vamos a elegir la opción de "Coeficiente de reducción, 3 4 (estructura rígida)". 37
Cuadro Configuración Nota: Los valores característicos de las capacidades portantes R b ; k y s k R ; serán determinados según la siguiente relación, que está contenida en la norma EN 1997-1 (cláusula 7.6.2.3 Resistencia a la compresión final de los resultados de pruebas en suelo: R R Rb; cal Rs; cal Rc; cal c; cal mean R c; k Rb; k Rs; k min ; 3 c; cal 4 min Los coeficientes de correlación, 3 4 dependen del número de estudios (perfiles testeados) n; que se aplicarán a: R ; R R ;, valor promedio de capacidad portante c cal b cal s cal mean ; mean R R. Los valores más altos de la capacidad portante calculada c; cal ; ; min b cal s cal min R Luego en el cuadro "Estructura", vamos a definir los parámetros necesarios para el análisis de grupo de pilotes. Nosotros consideramos el pilote de cimentación (tapa de pilote con pilotes) como una estructura rígida, donde se supone que todos los pilotes se asientan de igual forma. Además vamos a establecer el número de pilotes como n 4 Cuadro Estructura Los otros cuadros se mantienen sin cambios. 38
evaluación. Ahora volvamos al cuadro "Capacidad portante", donde se muestran los resultados de la Cuadro "Verificación (detallada)" - capacidad portante vertical EN 1997-2: Rc, d 19 822.54 kn Fs, d 5 800. 0 kn SATISFACTORIO. Conclusión: La capacidad portante vertical del pilote y del grupo de pilotes evaluados es satisfactoria. La principal ventaja de las pruebas de análisis basado en estudios CPT es su velocidad y simplicidad. Este procedimiento se describe con precisión en la norma EN 1997-2: Diseño Geotécnico - Parte 2: Estudio del suelo y pruebas y la definición de parámetros relacionados con la fuerza no es necesaria. 39
Capítulo 17. Análisis de Capacidad portante horizontal en un pilote simple El objetivo de este capítulo es explicar el uso del programa Pilote de GEO 5 para el análisis de capacidad portante horizontal de un pilote simple Especificación del problema: En normas generales el problema se describe en el capítulo 13 Pilotes de cimentación -. Introducción. Analiza la capacidad portante horizontal para un pilote simple como seguimiento al problema presentado en el capítulo 14. Análisis de la capacidad portante vertical de un pilote simple. La resultante de los componentes de carga N 1, M y,1, H x, 1 actúa a nivel de cabeza del pilote. Los cálculos de las dimensiones del pilote se llevan a cabo según la norma EN 1992-1. Esquema Especificación del problema Pilote simple 40
Solución: Vamos a aplicar el programa Pilote CPT de GEO5 para el análisis de este problema. En el texto a continuación se describe la solución a este ejemplo paso a paso. El pilote cargado lateralmente se analiza por el Método de elementos finitos como una viga apoyada en un medio elástico Winkler. Los parámetros de los suelos a lo largo de la longitud del pilote se caracterizan por el módulo de reacción horizontal del subsuelo. El programa contiene más posibilidades para determinar el módulo de reacción del subsuelo. Los métodos lineales (Linear, Matlock y Reese) son adecuados para suelos no cohesivos, mientras que los métodos con curso constante (Constante, Vesic) son más bien para suelos cohesivos. El método de cálculo para el módulo según CSN 73 1004 combina para ambos enfoques. En la primera parte de este capítulo realizaremos los cálculos con el módulo constante de reacción del subsuelo, en la segunda parte vamos a comparar las diferencias existentes al utilizar otros métodos. Definición de especificaciones: La configuración general del análisis, los valores de las cargas especificadas y el perfil geológico incluyendo parámetros básicos relacionados con la resistencia de los suelos se mantienen sin cambios. Seleccionamos el módulo "constante" en el cuadro "Módulo de k h ". Cuadro Modulo de k h Nota: El curso constante del módulo de reacción horizontal del subsuelo depende del módulo de deformación del suelo E def MPa y del ancho del pilote reducido m visite la Ayuda - F1). r (para más detalles Luego, en los parámetros de los suelos, vamos a establecer el valor del ángulo de dispersión ef dentro del rango ef. Por tanto, este coeficiente se determina en 4 41
relación al tamaño del ángulo de fricción interna con el suelo (para más información, visita Ayuda - F1). Suelo (Clasificación de suelo) Unidad de peso kn 3 m Ángulo de fricción interna ef Ángulo de depresión Tipo de suelo CS Arcilla arenosa, consistencia firme 18,5 24,5 10,0 Cohesivo S-F Arena de grano fino, suelo de densidad 17,5 29,5 15,0 No cohesivo media Tabla de parámetros del suelo Capacidad portante horizontal de pilote simple En el cuadro de "Material", vamos a especificar las características del pilote - la unidad de peso de la estructura, el tipo de hormigón utilizado y el hormigón armado longitudinal para el dimensionado del tallo del pilote. Cuadro Material Ahora vamos a pasar al cuadro "Capacidad Horizontal", donde se determina el valor de la deformación horizontal máxima en la cabeza del pilote, el curso de las fuerzas internas a lo largo de la longitud del pilote y los resultados del dimensionamiento del pilote para la evaluación de refuerzo en la dirección del efecto máximo. Cuadro Capacidad portante horizontal Asentamiento por curso constante del módulo de k h 42
Nota: La condición límite para el pilote fijado en la base se modela en primer lugar en el caso de extremos de resistencia de pilotes con bases en roca dura o subsuelo semi-rocoso (no es éste caso). Se aplican las condiciones límites en la cabeza del pilote cuando se utiliza la llamada carga de deformación, donde sólo la rotación angular y deformación en cabeza del pilote se establecen en el programa, sin establecer la carga de fuerza (para más información, visite la Ayuda - F1). Curso constante del módulo de reacción horizontal k del subsuelo, fuerzas internas, a lo largo de la longitud del pilote h En este cuadro llevamos a cabo el dimensionamiento del refuerzo del pilote. Vamos a diseñar refuerzo estructural longitudinal - 18 pcs Ø 16 mm y el recubrimiento de hormigón mínimo de 60 mm, que corresponde al grado de exposición ambiental XC1. En el caso de ser resuelto consideramos la relación de refuerzo para el pilote simple cargado lateralmente según la norma CSN EN 1536: Ejecución de las obras geotécnicas especiales - Pilotes perforados (Tabla 4 - refuerzo mínimo de pilotes perforados). Esta posibilidad se establece en el programa "Pilote". Área de sección transversal del 2 pilote: m A c Área de refuerzo longitudinal: A s m 2 0.5 % A 2 A c 0.5 m s c 2 2 0.5 m Ac 1.0 m A A s 0.0025 m 2 A c 1.0 m s c A 2 0.25 % A EN 1536: Tabla 4 Refuerzo mínimo de pilote perforado Nota: Es mejor para elementos comprimidos utilizar el coeficiente de refuerzo como si se tratara de una "columna", mientras que un "viga" es mejor para pilotes sometidos a flexión. 43
Para una combinación de carga vertical y lateral la norma CSN EN 1536 establece el índice de refuerzo mínimo para pilotes correspondientes a la proporción del área de la sección de refuerzo al área de hormigón (para más información, visite la Ayuda - F1). Observamos el uso de la sección transversal del pilote fijado y la condición del coeficiente de refuerzo mínimo en los resultados de dimensionamiento del pilote. Cuadro Verificación (detallada) Resultado del análisis En el cuadro de verificación de un pilote simple cargado lateralmente, estamos interesados en los cursos de las fuerzas internas a lo largo de la longitud del pilote, las deformaciones máximas y el uso de la sección transversal del pilote. Para el curso de la constante de módulo de reacción horizontal del subsuelo k de los valores resultantes son los siguientes: Deformación máxima del pilote: u max 4. 2 mm. Fuerza de corte máxima: Q max 85. 0 kn. Momento de flexión máximo: M max 120. 0 knm. RC Capacidad portante del pilote: 16.3 % ACEPTABLE. Coeficiente del refuerzo del pilote: 77.5 % ACEPTABLE. h Comparación de resultados de los diferentes métodos en la determinación del módulo de reacción del subsuelo Los valores y el curso del módulo de reacción horizontal del subsuelo k h varían en función de los diferentes métodos de análisis utilizados y los parámetros de entrada del suelo, que afecta a: 44
CONSTANTE: ángulo de dispersión, LINEAL (Bowles): ángulo de dispersión, 3 Coeficiente MN m k según el tipo de suelo, Según la norma CSN 73 1004: suelo cohesivo, o no cohesivo, 3 Módulo de compresibilidad horizontal MN m n h, Según la norma VESIC: módulo de elasticidad E MPa. En este cálculo, vamos a configurar los valores de entrada en el programa utilizando la Ayuda (ver F1) de la siguiente manera: Módulo de reacción del 3 MN m k h subsuelo Angulo de dispersión Coeficiente Módulo de compresibilidad horizontal Módulo de elasticidad E MPa Módulo de compresibilidad horizontal 3 MN m n h CONSTANTE 10 S-F 15 CS --- --- --- LINEAL (Bowles) 10 S-F 60 S-F 15 CS 150 CS --- --- CSN 73 1004 Suelo Cohesivo CS, consistencia firme --- Suelo No Cohesivo S-F, densidad media VESIC --- --- 5,0 S-F 15,5 CS Cuadro resumen de los parámetros del suelo para capacidad portante horizontal de un solo pilote Ahora vamos a volver a la configuración de los datos de entrada, vamos a cambiar el método de cálculo del módulo de reacción horizontal del subsuelo y, a continuación vamos a añadir los parámetros restantes de los suelos. Vamos a llevar a cabo el procedimiento según siguientes métodos: 4,5 --- Utilizando el curso lineal (según Bowles), según CSN 73 1004, según Vesic. 45
Curso lineal del módulo de reacción horizontal del subsuelo k h, fuerzas internas Curso del módulo de reacción horizontal del subsuelo k h según CSN 73 1004, fuerzas internas Curso del módulo de reacción horizontal del subsuelo k h según Vesic, fuerzas internas Los resultados del análisis de la capacidad portante horizontal de un pilote simple: Los resultados del análisis de la capacidad portante horizontal de un pilote simple en relación al método utilizado para el cálculo del módulo de reacción horizontal del subsuelo k h se presentan en la tabla siguiente: 46
Módulo de reacción de 3 MN m k h subsuelo Max. desplazamiento del pilote u max mm Max. momento de flexión M max knm RC capacidad portante del pilote % CONSTANTE 4.2 120.0 16.3 LINEAL (Bowles) 6.4 173.53 18.1 CSN 73 1004 5.6 149.91 17.3 VESIC 9.3 120.0 16.3 Resumen de los resultados - capacidad portante horizontal y dimensionamiento de un pilote Conclusión: simple Se desprende de los resultados de los cálculos que los valores observados de las fuerzas internas a lo largo de la longitud del pilote y las deformaciones máximas en la cabeza del pilote son ligeramente diferentes, pero la influencia del método elegido del cálculo para el módulo de reacción del subsuelo no es crucial. 47
Capítulo 18. Análisis de Capacidad portante vertical y asentamiento de un grupo de pilotes El objetivo de este capítulo es explicar el uso del programa Grupo de Pilotes de GEO 5 Introducción Los análisis en el programa de grupo de pilotes se pueden dividir en dos grupos: Método Spring, El Método Spring hace posible el cálculo de la deformación de toda la cimentación y la determinación de las fuerzas internas a lo largo de las longitudes de pilotes simples. La carga se define como una combinación general en funciones de N, M, M, M, H, H. Un resultado importante es la rotación y el desplazamiento de la cabeza rígida del pilote y aún más el dimensionamiento de la jaula de refuerzo para pilotes simples. El método Spring se tratará en el capítulo 19. Análisis de la deformación y el dimensionamiento de un grupo de pilotes. x y z x y La solución analítica se destina para el análisis de la capacidad portante vertical de un grupo de pilotes cargado únicamente por una fuerza normal vertical. El resultado del análisis comprende la capacidad portante vertical de la cimentación y del asentamiento promedio del pilote. La solución analítica se divide adicionalmente según el tipo de suelo: La capacidad portante vertical de un grupo de pilotes en suelo cohesivo se considera que está en condiciones no drenadas. Se determinó como la capacidad portante de un cuerpo de tierra en la forma de un prisma dibujado alrededor del grupo de pilotes según la FHWA. Sólo se especifica la cohesión total del suelo c u (resistencia al corte sin drenar) con el propósito de análisis. El asentamiento de un grupo de pilotes en suelo cohesivo (en condiciones no drenadas) se basa en el cálculo del asentamiento de una base de propagación sustituta (la denominada asentamiento de consolidación de grupo de pilotes o, abreviado, el método 02:01). A los efectos de la evaluación del asentamiento de un grupo de pilotes el análisis incorpora la influencia de la profundidad de la base y del espesor de la zona de deformación según la metodología de evaluación de asentamiento de cimentación. En República Checa y Eslovaquia 48
es posible aplicar el procedimiento según la norma CSN 73 1001 Suelos bajo cimentación para análisis de asentamiento de grupo de pilotes. La evaluación de un grupo de pilotes en suelos sin cohesión se basa en procedimientos idénticos a los utilizados para el análisis de un pilote simple en el suelo no cohesivo (Capítulo 14. Análisis de la capacidad portante vertical de un pilote simple). Se agrega la llamada eficiencia de grupo de pilotes reduciendo la capacidad portante vertical total del pilote de cimentación. La curva de carga para un grupo de pilotes en suelos no cohesivos se construyó de la misma manera que la curva para un pilote simple (capítulo 15. Análisis de asentamiento para pilote simple) según el Prof. HG Poulos, con la excepción del asentamiento total del grupo de pilotes, que se incrementa por el llamado factor de asentamiento del grupo g f, lo que permite el efecto grupal de pilotes simples. La medida de este parámetro depende de la disposición geométrica del grupo de pilotes. Especificación del problema: En normas generales el problema se describe en el capítulo anterior (13 Pilotes de cimentación -. Introducción). Llevaremos a cabo todos los cálculos de la capacidad portante vertical de un grupo de pilotes conforme a la norma EN 1997-1 (DA 2) en relación con el problema 14. Análisis de la capacidad portante vertical de un pilote simple. La resultante de la carga total que comprendida en centro. N, M y, H actúa en la base superior de la tapa del pilote, justo en el x Esquema Especificación del problema Grupo de pilotes Solución: 49
Vamos a utilizar para este análisis, el programa de GEO 5 Grupo de pilotes -. Para la simplificación del problema y la aceleración de la configuración de los parámetros del problema (el diseño, el suelo, la asignación y el perfil) usaremos la posibilidad de importar los datos del problema 14. Análisis de la capacidad portante vertical de un pilote simple. En este análisis vamos a evaluar el grupo de pilotes según los métodos de cálculo analíticos idénticos a los que se aplican a un pilote simple (NAVFAC 7,2 DM, TENSIÖN EFECTIVA, CSN 73 1002). Vamos a centrarnos en otros parámetros de entrada que afectan los resultados generales Especificación del procedimiento: En el cuadro "Configuración" haremos clic en el botón "Seleccionar configuraciones" y luego vamos a elegir el "Estándar - EN 1997 - DA2". Vamos a mantener el sistema de cálculo utilizando la solución analítica. En nuestro caso particular vamos a considerar el tipo de suelo sin cohesión, porque vamos a evaluar los pilotes en condiciones drenadas. Cuadro Lista de configuraciones Cuadro Configuración Vamos a utilizar la opción de importar los datos, evitando la necesidad de establecer todos los datos de entrada de nuevo. Vamos al problema del capítulo 14. Análisis de la capacidad portante vertical de un pilote simple en GEO 5 - Programa de Pilotes, en la barra de herramientas horizontal superior haremos clic en el botón "Editar" y luego vamos a seleccionar la opción "Copiar de datos". Posteriormente, en el programa de GEO 5 - Grupo de pilotes, 50
seleccionamos el botón "Editar" en la barra de herramientas horizontal superior y seleccionamos la opción "Pegar datos". A través de este paso los datos necesarios para el análisis se transferirán y una parte significativa del trabajo de ingresar los datos de entrada se verá facilitada. Cuadro Insertar datos Ahora vamos a pasar el cuadro "Estructura". Vamos a especificar las dimensiones del plano terrestre de la losa de base (la tapa del pilote), el número de pilotes en el grupo, diámetro y el espaciamiento de los centros (entre los pilotes en la dirección, x o y ). Cuadro Estructura 51
Posteriormente, en el cuadro de "Geometría", vamos a definir la profundidad de la superficie del suelo, la cabeza del pilote, el espesor de la tapa del pilote y las longitudes de todos los pilotes en el grupo. Los pilotes simples dentro del grupo tienen los mismos diámetros y longitudes. En el cuadro "Material" vamos a especificar la unidad de peso de la estructura 23.0 kn m 3. A continuación vamos a definir la carga. La capacidad portante vertical de grupo de pilotes se analizó utilizando cargas de diseño, mientras que la carga de servicio se utiliza para el análisis de asentamiento. Cuadro Nueva carga Diseño Estado Último (cálculo) Cuadro Nueva carga Diseño de Estado de Servicio (impuesto) 52
Vamos a llevar a cabo el asentamiento del grupo de pilotes en el cuadro "Capacidad Vertical". Para cumplir con la condición de seguridad, el valor de R g debe ser mayor que la magnitud de la carga de diseño V d que actúa (para más información, visite la Ayuda - F1). Para el método de análisis NAVFAC DM 7,2 y la eficiencia del grupo de pilote La Barre (CSN 73 1002) según los ajustes iniciales del análisis, los resultados de la capacidad portante vertical del grupo de pilotes son: La Barré (CSN 73 1002): 0. 84. g Rg 7491.90 kn Vd 6991. 86 kn ACEPTABLE. Nota: La capacidad portante vertical, calculada de un grupo de pilotes en suelos sin cohesión debe reducirse porque los pilotes individuales se afectan estáticamente entre sí. La evaluación en el programa contiene varios métodos para determinar la eficiencia de grupo de pilotes g. Esta figura adimensional (por lo general dentro del rango de 0,5 a 1,0) reduce la capacidad portante vertical total del grupo de pilotes R g con respecto a: El número de pilotes en el grupo n x, n y ; El espacio entre los pilotes del grupo con centro s x, s y ; El diámetro de los pilotes del grupo d. La eficiencia de grupo de pilotes g depende únicamente de la geometría el grupo de pilotes, no del método de análisis. Además podemos comprobar la capacidad portante vertical, incluso para otros métodos que determinan la eficiencia de grupo de pilotes g. Volvemos al cuadro "Configuración". Seleccionamos el botón "Editar" en la parte inferior izquierda de la pantalla y elegimos "UFC 3-220-01A", o "Seiler-Keeney" en el submenú "Grupo de pilotes". 53
Cuadro Editar la configuración actual Para los demás métodos de análisis, el procedimiento es analógico con la solución del problema del capítulo 14. Análisis de la capacidad portante vertical de un pilote simple. Los resultados del análisis de la capacidad portante vertical de un grupo de pilotes en suelo no cohesivo (es decir, en condiciones drenadas) en relación con el método utilizado y la eficiencia grupo de pilotes g se presentan en la tabla siguiente: La Barré (CSN 73 1002): 0. 84, UFC 3-220-01A: 0. 80, Seiler-Keeney: 0. 99. EN 1997-1, DA2 (suelo no cohesivos) Métodos de análisis NAVFAC DM 7.2 TENSION EFECTIVA g g g Eficiencia del grupo de pilotes g 0.84 54 Capacidad portante de un pilote simple R c kn Capacidad portante de un grupo de pilotes kn 0.80 2219.06 7100.98 R g 7491.90 0.99 8829.18 0.84 20 840.41 0.80 6172.80 19 572.96 0.99 24 560.34 CSN 73 1002 0.84 5776.18 19 501.36 0.80 18 483.79
0.99 22 982.28 Cuadro de resultados Capacidad portante vertical del grupo de pilotes en condiciones drenadas Conclusión (capacidad vertical de grupo de pilotes): La capacidad portante vertical de un grupo de pilotes R g en el suelo sin cohesión debe ser reducida (utilizando la llamada eficiencia grupo de pilotes g ) porque los pilotes simples se afectan estáticamente entre sí. Se aplica, en general, que los pilotes individuales de un grupo se afectan entre sí más con el espacio en centros de disminución. diseñador debe considerar cuidadosamente si debe utilizar el cálculo en condiciones drenadas y no drenadas con solución analítica para la capacidad portante vertical del grupo de pilotes. Los dos tipos de cálculo son significativamente diferentes. Análisis de asentamiento de un grupo de pilotes El análisis de asentamiento del grupo de pilotes es completamente idéntico a la que se aplica a un pilote simple, el asentamiento calculado se multiplica por el factor de asentamiento del El grupo g f. Nota: La medida del factor de asentamiento del grupo g f depende de la disposición geométrica del grupo de pilotes, es decir, del diámetro de los pilotes en el grupo y del ancho de la cabeza de pilote. Los resultados del análisis se presentan en la tabla siguiente: Método de análisis de la capacidad portante vertical del grupo de pilotes Carga al inicio de la movilización del rozamiento kn R yu Asentamiento del grupo de pilotes s mm para fuerzas V 4000 kn NAVFAC DM 7.2 3184,47 34,8 TENSIÓN EFECTIVA 7274,43 15,3 CSN 73 1002 8057,77 15,3 Cuadro de resultados Asentamiento del grupo de pilotes según Poulos Conclusión (Asentamiento del grupo de pilotes): 55
Se desprende de los resultados del análisis que la capacidad portante vertical de un grupo de pilotes es diferente en lo que se refiere a la solución total. El análisis de asentamiento de un grupo de pilotes en el suelo no cohesivo (condiciones drenadas) se basa en la teoría de asentamiento lineal, para el cual los datos de entrada básicos necesarios para el cálculo de asentamiento comprende los valores de rozamiento y la resistencia en la base del pilote R. En contraste, el asentamiento de un grupo de pilotes en suelo cohesivo (condiciones no drenadas) se basa en el cálculo para una cimentación extendida sustituta. En el mundo, este método de cálculo se titula la llamada solución de consolidación de un grupo de pilotes o, abreviado, el método 02:01. Para esta evaluación de asentamiento de un grupo de pilotes, el efecto de la profundidad de la superficie del suelo y la profundidad de la zona de deformación según la metodología de evaluación de asentamiento de cimentación extendida se introduce en el cálculo. b Los dos métodos de cálculo difieren significativamente y proporcionan resultados absolutamente diferentes. Los autores del programa GEO 5 recomiendan que la capacidad portante vertical y el asentamiento de un grupo de pilotes deben ser calculados según las costumbres locales. 56
Capítulo 19. Análisis de deformación y dimensionado de un grupo de pilotes El objetivo de este capítulo es explicar el uso del programa Grupo de Pilotes de GEO 5 para el análisis de rotación angular y desplazamiento de la tapa del pilote rígida, a la determinación de las fuerzas internas a lo largo de la longitud del pilote simple y para dimensionamiento de la sección transversal del pilote. Especificación del problema: Las especificaciones generales del problema se describen en el capítulo 13 Pilotes de cimentación -. Introducción). Todos los análisis de capacidad portante vertical de un grupo de pilotes se llevarán a cabo en relación con el problema anterior 18. Análisis de la capacidad portante vertical y asentamiento de un grupo de pilotes. La resultante de la carga total de compresión N, M y, H actúa en la base superior de la tapa del pilote, justo en el centro. El x dimensionamiento del grupo de pilotes se llevará a cabo con la norma EN 1992-1-1 (CE 2), utilizando valores estándar de los coeficientes parciales. Esquema Especificación del problema Grupo de pilotes Solución: Para resolver este problema usaremos el Programa de GEO 5 - Grupo de pilotes. Para la simplificación del problema y la aceleración de la configuración de los parámetros generales problema usaremos todos los datos de entrada del problema 18. Análisis de la capacidad portante vertical del grupo de pilotes (por medio de la importación de datos). Vamos a analizar el grupo de pilotes según el Método Spring, que modela pilotes individuales como vigas sobre una cama elástica. Cada pilote está dividido internamente en 57
diez secciones, para el cual se calculan los valores spring horizontales y verticales. La losa de base (tapa del pilote) se considera que es infinitamente rígida. La solución en sí misma se lleva a cabo utilizando la variante de la deformación del Método de los Elementos Finitos. Especificación del procedimiento: Vamos a cambiar el tipo de análisis en el cuadro de "Configuración" a la opción "Método Spring". Tendremos en cuenta que la conexión de los pilotes a la losa base de ser rígida, es decir, fija. Se supone para esta condición límite que el momento de flexión será transferido a las cabezas del pilote Para pilotes soportados en la base vamos a seleccionar la opción "pilotes flotantes cálculo de la rigidez del resorte para parámetros de suelo". Nota: El programa ofrece varias opciones para condiciones límites posibles para pilotes soportados en dirección vertical. Para pilotes extremos, o pilotes introducidos en la roca, no se especifica la rigidez vertical de los resortes - la base del pilote se modela como una articulación o una junta deslizante. Para pilotes flotantes, es necesario definir los tamaños de los resortes verticales, tanto en la piel como en la base del pilote. El programa especifica el tamaño posible de los resortes, pero es razonable seleccionar la opción de "calcular el tamaño de los resortes". En este caso, el programa calcula los resortes según las propiedades de deformación de los suelos para el conjunto de carga típica (para más información, visite la Ayuda - F1). Cuadro Configuración de análisis Método Spring El módulo horizontal de reacción subsuelo caracteriza el comportamiento del pilote en dirección lateral. Para este análisis consideraremos que el módulo (ambos inclusive de los parámetros que afectan a su magnitud) es idéntico al utilizado en la solución de pilote simple (véase el Capítulo 17. Análisis de la capacidad portante horizontal de un pilote simple). En la parte inicial de este capítulo vamos a llevar a cabo el análisis utilizando el módulo constante de reacción del subsuelo y, en la segunda parte, vamos a comparar las diferencias entre los resultados cuando se utilizan otros métodos (lineal - según Bowles, según el CSN 73 1004 y según Vesic). 58
En el cuadro "Material" vamos a especificar las características de pilotes simples en el grupo, es decir, la unidad de peso de la estructura, el tipo de hormigón utilizado y refuerzo de hormigón longitudinal para el dimensionamiento del eje del pilote. Cuadro Material Luego definimos la carga. La carga de diseño se aplica al dimensionamiento de los pilotes simples en el grupo y a la determinación de las curvas de las fuerzas internas, la carga de servicio, se utiliza para el cálculo de deformaciones. Cuadro Editar carga Diseño de estado último 59
Cuadro Editar carga Diseño de estado de servicio En el cuadro "Resortes vertical" seleccionamos la llamada carga típica, que se utiliza para el cálculo de la rigidez de los resortes verticales. En nuestro caso vamos a elegir la "carga n º 2 - Servicio" opción. Resorte vertical Carga típica Nota: En el caso de la opción Carga Típica, el servicio de carga (característica) se debe aplicar, ya que caracteriza mejor el comportamiento de la estructura (para más detalles visite la Ayuda - F1). El procedimiento para el cálculo de los resortes verticales es la siguiente: a) La carga calculada se distribuye entre pilotes simples. b) El tamaño de los resortes verticales en la piel del pilote y en la base se determina para pilotes individuales, en función de los parámetros de carga y el suelo. El efecto de la carga en el cálculo de la rigidez es significativo - por ejemplo, la rigidez del resorte en la base es siempre cero para un pilote tensado. Por esa razón, puede ser ventajoso en algunos casos realizar el cálculo varias veces para varias cargas típicas. 60
Análisis: Método de Spring En el cuadro "Análisis" realizamos la evaluación del grupo de pilotes para los ajustes iniciales (el módulo constante de reacción horizontal del subsuelo) y mostrará los resultados con las curvas de fuerza interna. Cuadro Análisis Método Spring (módulo de constantes de reacción del subsuelo) Nota: La rigidez de los pilotes en el grupo se modifica automáticamente según su ubicación. Los pilotes en el borde y en el interior del grupo tienen los tamaños de la rigidez horizontal y la rigidez de corte de resortes reducidos en comparación con un pilote simple. Los resortes en la base del pilote no se reducen (para más información, visite la Ayuda - F1). Análisis Método Spring (desplazamiento horizontal y la rotación de la tapa del pilote, deformaciones en la dirección "x") 61
Los resultados del análisis para los ajustes iniciales (para una máxima deformación) son los siguientes: Asentamiento máximo: 22.6 mm; Max. desplazamiento horizontal en la tapa del pilote: 2.3 mm ; 3 Max. rotación en la tapa del pilote: 8.110. Dimensionamiento: Luego nos dirigiremos hacia el cuadro "Dimensionamiento" y, al igual que el capítulo 17. Análisis de la capacidad portante horizontal de un pilote simple, vamos a proponer y evaluar el principal refuerzo estructural de los pilotes. Vamos a considerar la relación de armadura idéntica para todos los pilotes en el grupo - 16 pcs Ø 16 mm y el recubrimiento mínimo del hormigón de 60 mm, según el grado de exposición XC1. La relación de armadura para un grupo de pilotes generalmente cargado, en este caso se considera según CSN EN 1536:1999 (idéntico al del capítulo 17). En el programa esta opción se configura como "pilote" (para más información, visite la Ayuda - F1). Cuadro Dimensionamiento Resultados de todas los pilotes en el grupo para los recubrimientos de casos de carga 62