Metodología para el Diseño de Pilotes Helicoidales para las Condiciones Cubanas

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniaría Civil. TRABAJO DE DIPLOMA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE PILOTES HELICOIDALES PARA LAS CONDICIONES CUBANAS. AUTORA: Lauren Müller Fernández TUTOR: Dr. Ing. Rolando Lima Rodríguez. Santa Clara 2014.

(2) Pensamiento. Hay que trabajar para enriquecer los conocimientos adquiridos durante los estudios, para saberlos aplicar en la práctica de manera creadora y recordar que la realidad es siempre mucho más rica que la teoría, pero que la teoría es imprescindible para desarrollar el trabajo profesional de un mundo científico. Fidel Castro.

(3) Dedicatoria. A mis padres.

(4) Agradecimientos. A mi mamá y mi papá por la paciencia y la ayuda A mi hermana por ser la “chulería de la familia” A Jorgito por estar siempre ahí apoyándome en todo A mis abuelos por el cariño y la preocupación A mis tíos y tías porque sin ellos no hubiese sido posible A Lima por inculcarme el amor por la Ingeniería y lograr conmigo llevar las ideas a soluciones A Ibáñez, Ana Virginia y Amaury por ayudarme en la lucha contra el Mathcad A Quevedo por alertarme los errores A Margarita y Jorge por darme todos los gustos A Claudia María, Jesús y Arletis que son mis amigos y salvadores A todos mis compañeros y profesores que a lo largo de estos cinco años aportaron su granito de arena para que se pueda realizar este trabajo..

(5) Resumen. RESUMEN Los pilotes helicoidales han sido empleados desde hace muchos años en gran parte del mundo. En estos momentos una empresa canadiense está tratando de insertarse dentro del mercado cubano y para ello se hace necesario contar en el país con un procedimiento que pueda ser usado por los proyectistas para diseñar este tipo de cimentaciones. En el trabajo, a partir de una amplia revisión bibliográfica, se determinaron las expresiones que pueden ser empleadas en el diseño para los diferentes tipos de suelo y estados de carga. A partir de ahí se evaluaron de forma teórica y finalmente de forma práctica, utilizándose los resultados de pruebas de carga realizadas en otros países. Después de ser elegidas las que mejores se ajustan a los resultados experimentales y que tienen características similares a las empleadas para otros tipos de cimentaciones, se propuso una metodología a partir de la cual los investigadores confeccionan el documento oficial que regirá en el país el diseño de cimentaciones con pilotes helicoidales..

(6) Abstract. ABSTRACT Helical piles have been used for many years all over the world. Nowadays, a Canadian company tries to fall within the Cuban market. For this, it is necessary to have in the country a procedure that can be used by the project engineers in order to design this type of foundations. This paper determined the expressions that can be used in the design of the different types of soil and load states. The expressions were then assessed in a practical and theoretical way, using the results of the load tests carried out in other countries. After being chosen those expressions that better adjust to the experimental results, and have similar characteristics to the ones used in other types of foundations, we proposed a methodology from which researchers make the official document that will rule the design of foundations with helical piles in our country..

(7) Índice. ÍNDICE INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1 CAPÍTULO I: ESTADO DEL CONOCIMIENTO SOBRE PILOTES HELICOIDALES. .................................................................................................... 6 1.1. Historia ...................................................................................................... 6. 1.1.1 Surgimiento ............................................................................................ 6 1.1.2 Evolución................................................................................................ 7 1.2. Principales usos en la actualidad .............................................................. 7. 1.3. Ventajas y desventajas ............................................................................. 9. 1.3.1 Ventajas ................................................................................................. 9 1.3.2 Desventajas ......................................................................................... 10 1.4 Capacidad de carga .................................................................................... 10 1.4.2 Trabajo a compresión........................................................................... 11 1.4.3 Trabajo a tracción................................................................................. 12 1.4.4 Trabajo a carga lateral ......................................................................... 13 1.5 Interpretación física del proceso de instalación de los pilotes helicoidales . 16 1.6 Métodos de diseño ..................................................................................... 17 1.6.1 Métodos utilizados para el diseño de los pilotes helicoidales ............... 19 1.7 Influencia de: espaciamiento entre las hélices, número de hélices, formas del fuste. ........................................................................................................... 20 1.7.1 Influencia del espaciamiento de las hélices ......................................... 20 1.7.2 Influencia de la forma de las hélices .................................................... 20 1.7.3 Influencia de la forma del fuste ............................................................ 21 1.8 Otras formas de determinar capacidad de carga. ....................................... 22 1.8.1 Torque .................................................................................................. 22 1.8.2 Pruebas de carga ................................................................................. 24 1.9 Modelación ................................................................................................. 26 1.10 Tipos comerciales ..................................................................................... 27 1.11 Análisis del comportamiento de los suelos ............................................... 28 1.11.1 Análisis para suelos c-...................................................................... 28 1.12 Revisión del asentamiento bajo carga axial. Fuente (Lima, 2008). ........... 29 1.13 Deformaciones laterales en la superficie del terreno ................................ 30 1.13.1 Criterios adicionales en suelos débiles .............................................. 31 1.14 Conclusiones del capítulo ......................................................................... 31 CAPÍTULO 2: ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LOS DIFERENTES FACTORES PARA CAPACIDAD DE CARGA. ......................................................................... 33.

(8) Índice 2.1 Compresión ................................................................................................ 33 2.1.1 Método de falla: Cilindro de cizallamiento ............................................ 33 2.1.2 Método de falla: Capacidades individuales .......................................... 38 2.2 Tracción ...................................................................................................... 46 2.2.1 Método de falla: Cilindro de cizallamiento ............................................ 46 2.2.2 Método de falla: Capacidades individuales .......................................... 52 2.3 Carga lateral ............................................................................................... 55 2.3.1 Suelos φ. .............................................................................................. 55 2.3.2 Suelos C............................................................................................... 55 2.4 Conclusiones del capítulo ........................................................................... 55 CAPÍTULO 3: ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS METODOLOGÍAS FUNDAMENTALES A PARTIR DE SU APLICACIÓN EN PROBLEMAS REALES. ............................................................................................................................. 57 3.1 Caso de estudio 1 ....................................................................................... 57 3.1.1 Compresión .......................................................................................... 58 3.1.2 Tracción ............................................................................................... 61 3.1.3 Torque .................................................................................................. 62 3.2 Caso de estudio 2 ....................................................................................... 62 3.2.1 Compresión .......................................................................................... 63 3.2.2 Tracción ............................................................................................... 64 3.2.3 Torque .................................................................................................. 65 3.3 Caso de estudio 3 ....................................................................................... 66 3.3.1 Compresión .......................................................................................... 66 3.2.2 Tracción ............................................................................................... 68 3.3.3 Torque .................................................................................................. 69 3.4 Caso de estudio 4 ....................................................................................... 69 3.4.1 Carga lateral ......................................................................................... 71 3.4.2 Torque .................................................................................................. 73 3.5 Cálculo de los asentamientos ..................................................................... 73 3.6 Conclusiones del capítulo ........................................................................... 74 CAPÍTULO 4: METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LOS PILOTES HELICOIDALES ................................................................................................... 76 4.1 Consideraciones generales ........................................................................ 76 4.2 Principios de diseño .................................................................................... 77 4.3 Secuencia de trabajo .................................................................................. 77 4.4 Diseño......................................................................................................... 77 4.4.1 Pre dimensionamiento del pilote a partir de las posibilidades reales constructivas: ................................................................................................ 77.

(9) Índice 4.4.2 Trabajo a compresión........................................................................... 78 4.4.3 Trabajo a tracción................................................................................. 80 4.4.4 Trabajo a carga lateral ......................................................................... 80 4.4.5 Revisión del asentamiento bajo carga axial. ........................................ 84 4.4.6 Deformaciones laterales en la superficie del terreno para el caso de pilotes rígidos. ............................................................................................... 85 4.4.7 Análisis para suelos c-....................................................................... 86 4.5 Conclusiones del capítulo ........................................................................... 88 CONCLUSIONES GENERALES .......................................................................... 89 RECOMENDACIONES ........................................................................................ 90 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 91 ANEXOS .............................................................................................................. 95.

(10) Introducción. INTRODUCCIÓN Las cimentaciones sobre pilotes son un tipo de cimentaciones profundas, las cuales pueden soportar las fuerzas horizontales solo con la interacción de sus caras laterales y las verticales con el trabajo de las caras laterales y su base. Los pilotes helicoidales, son un tipo de cimentación profunda, o poco profundas que proporcionan estabilidad contra la compresión, cargas laterales y tensionales. Se han empleado en el mundo diversos tipos de pilotes helicoidales. En 1833 Alejandro Mitchell, ingeniero británico que inició una revolución en temas de cimentaciones en la ingeniería, utilizó pilotes que podían introducirse en el terreno a una profundidad deseada con gran facilidad y un mínimo de costos para la construcción de embarcaderos y puentes. El sistema Mitchell terminó teniendo un éxito rotundo, no sólo en Inglaterra sino en el mundo entero. La mayoría de los muelles metálicos que se construyeron a partir de la segunda mitad del siglo XIX se ejecutaron con cimentación de pilotes roscados, entre ellos los embarcaderos británicos de mineral de Riotinto, Tharsis y Dicido, en España. Mitchell y su hijo construyeron la empresa Screw Pile Company,. que patentó y difundió los pilotes. roscados por el Reino Unido y países extranjeros. Los pilotes helicoidales son elementos constituidos por placas circulares con forma de hélices, soldadas a un fuste o árbol del mismo material. El fuste es usado para transmitir el torque durante la instalación, transferir cargas axiales a las placas helicoidales y suministrar resistencia al ataque lateral. El pilote metálico helicoidal de múltiples hélices es adecuado para ser utilizado en diversos tipos de suelos, no así en suelos extremadamente duros o rocosos. Son particularmente útiles en depósitos de arcilla profundos.(Portella, 2007) Estos pilotes son un valioso componente dentro del grupo de herramientas de la geotecnia. Desde el punto de vista de la arquitectura, ellos pueden adaptarse para apoyar diferentes tipos de estructuras con variadas condiciones del suelo. Resulta ventajosa su utilización al no requerir uso de cemento, no se necesita agua, para su instalación los equipos que requiere son: un tractor pequeño o una retroexcavadora con cabezal de clavado, la mano de obra es mínima, no precisa la realización del vibrado, provoca poco impacto sobre el medio ambiente, puede ser instalado en cualquier condición climática. A pesar de ser considerablemente ventajoso el uso de esta tecnología como cimentaciones, también tiene desventajas representativas que vale la pena analizar: se requiere de equipos ligeros pero específicos, el hecho de no tener un equipo adecuado disponible no sería posible emplearlos, el costo de este. 1.

(11) Introducción producto es elevado y aumenta dependiendo de la profundidad y el tamaño del pilote y necesita obligatoriamente de un técnico capacitado para el uso de las maquinarias. Estos tipos de pilotes han tenido gran difusión en la construcción en países como Estados Unidos, Canadá, Europa, Australia, Brasil, Japón, entre otros. Se usan frecuentemente para la reparación de cimentaciones existentes y la construcción de nuevas cimentaciones. Tienen varias aplicaciones que van desde las torres de transmisión a la construcción residencial. En la URSS se usaron grandes números de pilotes helicoidales entre 1961 y 1964 para las fundiciones de mástiles de comunicación a 254 m altura (Weech, 2002). Desde 1987 se han instalado aproximadamente 130,000 pilotes helicoidales en Colorado (Young, 2012). En Canadá se diseñó un hospital en 2002 que para su construcción necesitó un total de 588 pilotes helicoidales que soportan grandes cargas a compresión y a tracción; aunque los pilotes pueden. mantener este tipo de carga el uso de ellos en un. proyecto de tal magnitud constituye un verdadero reto para la construcción (Dino Vito, 2011). En el 2008 en Chile fueron utilizados por el ingeniero Alonso de Córdova para el refuerzo de taludes y fundaciones en las torres de transferencias donde se necesitaron aproximadamente 103 barras helicoidales (501 ml). Una de las mayores líneas de transporte de energía eléctrica en el mundo fue construida el 2012 en Brasil y los pilotes helicoidales hechos por Hubbell Power Systems, están ayudando a sostener las torres de transmisión en una amplia gama de terrenos y condiciones del suelo, el proyecto cruza cinco estados brasileños, estará sostenido por 10.000 torres y tiene aproximadamente 76.000 km. La empresa Techno PIEUX está interesada en introducir en Cuba la tecnología de los pilotes helicoidales. El procedimiento Techno PIEUX es utilizado desde hace aproximadamente veinte años para una multitud de aplicaciones: edificios comerciales e industriales, construcción y extensión de vivienda, garajes, soportes de anuncios publicitarios, obras recreativas y terrazas. Más de 26 000 Technos PIEUX han sido instalados sobre el territorio Francés, desde 2006. Actualmente más de 90 concesionarios y 176 instaladores certificados proponen el procedimiento Tecno PIEUX en Canadá, Estados Unidos, Francia, Bélgica, Suiza y España. Más de 500,000 pilotes helicoidales de dicha marca, han sido instalados a través el mundo desde 1993. El fuste de metal de Techno PIEUX es simplemente un tornillo de gran tamaño con una o múltiples hélices. El eje central es un tubo de acero estructural que tiene diámetros de 48 milímetros a 152 milímetros y a un grueso de pared que se extiende. 2.

(12) Introducción de 3.68 a 5.74 milímetros. Las láminas de las hélices que llevan las cargas, están disponibles en diámetros a partir de 150 milímetros hasta 600 milímetros. Se necesita de una máquina hidráulica especialmente diseñada para atornillar la "pila helicoidal" en la tierra. La propuesta actual realizada por esta empresa a Cuba le da gran prioridad a los resultados empíricos en el momento de instalación. Esto no está acorde con el proceder de las empresas de proyecto, las cuales realizan los cálculos de los posibles cimientos a utilizar a partir de la confección del informe ingeniero geológico y evalúan económicamente. el empleo de los mismos, valorando junto al. inversionista cuál sería la mejor opción para cada proyecto. En Cuba el proyecto precisa de una norma o documento orientativo para realizar el diseño, hoy no existe uno para este tipo de pilote específicamente basado en las condiciones cubanas. Con los planteamientos anteriores se precisa una solución para el siguiente problema científico: En Cuba no existe un método específico para el diseño de cimentaciones con pilotes helicoidales que evalúe el comportamiento resistente y deformacional de los mismos. ¿Será posible resolver esta problemática y elaborar la metodología para el diseño de cimentaciones con pilotes helicoidales para las condiciones cubanas? Para dar respuesta a la interrogante planteada se asume la siguiente hipótesis: Con los conocimientos actuales existentes en el país, sobre el diseño de cimentaciones, resulta posible. elaborar una metodología coherente para el diseño de pilotes. helicoidales atendiendo a las particularidades cubanas. Para dar solución al problema planteado, se proponen los siguientes objetivos: Objetivo general Elaborar la metodología para el diseño de pilotes helicoidales para las condiciones cubanas. Objetivos específicos 1). Revisar la bibliografía publicada sobre el uso de pilotes helicoidales.. 2). Analizar el comportamiento resistente para las distintas formas de trabajo de los. pilotes helicoidales en diferentes tipos de suelo. 3). Determinar la capacidad de carga y deformaciones que pueden resistir los. pilotes en diferentes tipos de suelos a partir de estudios realizados en otros países.. 3.

(13) Introducción 4). Proponer una metodología de diseño ajustada a las condiciones cubanas.. Para lograr los objetivos planteados se utilizó la siguiente metodología de investigación: Material y método . . Materiales . Base de datos de experimentos realizados. . Software computacional: Microsoft Excel y Mathcad. . Computadoras. Métodos . Método comparativo. . Método de cálculo. Tareas científicas  Revisión crítica de la literatura científica publicada sobre el empleo de los pilotes helicoidales en el mundo.  Análisis del comportamiento de los pilotes para todos los factores que influyen en la capacidad de carga para las distintas formas de trabajo y condiciones de los suelos cubanos.  Realización de comparaciones que permitan la aplicación de la metodología para enfrentar el diseño de problemas reales.  Evaluación de los factores económicos, para la determinación de la forma de empleo más viable.  Establecimiento de la metodología, que permita realizar el diseño resistente y deformacional de los pilotes helicoidales con las condiciones cubanas. La novedad científica del estudio está dada por la propuesta de expresiones de cálculo de la capacidad de carga de pilotes helicoidales a partir de su validación con el empleo de resultados de pruebas de carga a escala natural ejecutadas en otros países. La actualidad de la presente investigación estriba en la confección de una metodología de diseño de pilotes helicoidales que permita a los investigadores precisar el procedimiento final a ser utilizado en Cuba para poder introducir este tipo de cimentaciones. El trabajo se presenta bajo la siguiente estructura:  Resumen. 4.

(14) Introducción  Introducción  Capítulo I: Estado del conocimiento sobre pilotes helicoidales  Capítulo II: Análisis de la influencia de los diferentes factores para capacidad de carga.  Capítulo III: Análisis comparativo de las metodologías fundamentales a partir de su aplicación en problemas reales.  Capítulo IV: Metodología para el diseño de los pilotes helicoidales.  Conclusiones  Recomendaciones  Bibliografía  Anexos. 5.

(15) ___________________________________________________________________Capítulo I. CAPÍTULO I: ESTADO DEL CONOCIMIENTO SOBRE PILOTES HELICOIDALES. Los pilotes helicoidales son elementos de acero constituidos por una o varias hélices soldadas a un fuste o eje central. Se pueden instalar en diferentes tipos de suelos y en condiciones difíciles de trabajo. Representan una valiosa herramienta capaz de sostener múltiples estructuras. En la bibliografía consultada se encuentran con diversos nombres como: screw piles, helical anchors, helical piles, helical piers. Las diferencias en estas nomenclaturas apuntan a la manera relativa con que ellos se diseñan. La terminología helical piers se refiere a cimentaciones poco profundas; considerando screw piles a los sistemas de cimentaciones profundas. The Deep Foundation Institute (2005) adoptó el término helical piles basados en la relación de profundidad de instalación de un pilote helicoidal contra el diámetro de la hélice.. Se nombra helical anchors a un pilote. helicoidal, en que el modo primario o gobernante de cargas está en la tensión(Young, 2012).. 1.1. Historia. 1.1.1 Surgimiento Según(Carvalho, 1991), (Stephenson, 1997), (Orlando, 1999), (Chance, 2004), (Vyazmensky,. 2005),(González,. 2007),(Portella,. 2007). ,. (Donald. A.. Deardorff,. 2008),(Perko, 2009b), (Willis, 2009), (Helical Foundations, 2011), (Young, 2012),(S.a.r.l., 2013), (Da Costa Santos, 2013), (Watson, 2014) se define como iniciador del uso de los pilotes helicoidales al ingeniero británico Alexander Mitchell, quien ideó en 1833 las roscas helicoidales de hierro para acoplar a pilotes de madera; con su invención estaba llevando a cabo una verdadera revolución en el sistema de cimentación por pilotes en obras de ingeniería. A partir de estos comienzos, el autor aplica su invento a cimentaciones de faros, puentes y embarcaderos marítimos, en pocos años en toda Europa y América se conoce el sistema y se aplica con profusión por los ingenieros civiles. Son incontables las cimentaciones que en todo el mundo, especialmente en los países de influencia británica, se llevaron a cabo con el sistema de pilotes roscados de Mitchell. El primer problema a abordar en toda estructura es su cimentación. En una estructura costera, donde las condiciones del terreno y su subsuelo son especialmente difíciles se requiere el uso de técnicas específicas. Los sistemas se fueron desarrollando, la utilización en este tipo de cimentaciones fue: sobre plataforma de roca bajo el muelle, por pilotes apoyados en la roca por medio de zapatas aisladas, sobre cajones rellenos de piedras, por cajones o cilindros estancos de hierro, por pilotes clavados y finalmente la. 6.

(16) ___________________________________________________________________Capítulo I cimentación por pilotes de rotación. Son precisamente estos lugares donde estas cimentaciones pueden tener una gran aplicación.. 1.1.2 Evolución Desde 1900 hasta 1950 el uso de los pilotes helicoidales tuvo un descenso, durante este período se impulsó su desarrollo mecánico y el equipamiento requerido para su colocación. El pilote helicoidal evolucionó hasta alrededor de 1980, debido a los adelantos en la fabricación y las nuevas técnicas de galvanizado, cuando el ingeniero Stan Rupiper diseñó la primera aplicación a compresión en los Estados Unidos utilizando el pilote helicoidal moderno (Perko, 2009b).. 1.2. Principales usos en la actualidad. Los pilotes helicoidales tienen muchas aplicaciones en las construcciones modernas:  En. el. mercado. de. utilidad eléctrico, se usan como bases para sostener las torres de transmisión y es una de las principales aplicaciones que se le da en el mundo entero. Un solo pilote puede soportar cargas a tracción en el orden de 222 kN [25 toneladas].. Un. pilote. equivalente de hormigón. Figura 1.1: Pilotes usados como anclajes en las torres de transmisión.. usado para una torre de. Fuentes (Tappenden, 2006), (Perko, 2009b), (Tsuha, 2010), (Viking,. transmisión de alambre mediría 5.5 m de altura por 1.5 m de espesor.  Resultan ser la herramienta ideal para los sitios con acceso limitado, así como en lugares estrechos. Con solo la ayuda de un equipo. de. instalación. pequeño. maniobrable se realiza la operación. Figura1.2: Construcción en lugares de difícil acceso. Fuente (Perko, 2009b).. 7. y.

(17) ___________________________________________________________________Capítulo I La figura 1.2 los ilustra como la cimentación más adecuada por, la lejanía del sitio, abertura desenfrenada en la cuesta y acceso difícil. . En la construcción residencial se usan para. obras nuevas en la cimentación, además de la reparación. de. cimentaciones. existentes.. Son. instalados fundamentalmente en zonas donde el terreno esté en condiciones difíciles. Son de gran utilidad puesto que el fuste limita las tensiones ascendentes debido al empuje de la tierra y las hélices. Figura1.3: Pilotes empleados en. se resisten al levantamiento. la. . Se usan como anclajes en varios tipos de. construcción. residencial.. Fuente (S.a.r.l., 2013).. cimentaciones, por ejemplo en suelos expansivos con una sola hélice en el fuste, si se asegura que ningún plato helicoidal se empotre dentro de la zona activa. Si las hélices son incluidas en una zona de tierra activa pueden aparecer contracciones, expansiones o fuerzas de contracciones en los platos que podrían llevar al posterior movimiento del pilote helicoidal. La figura 1.4 muestra el pilote con una sola hélice empotrada en tierra estable debajo de la zona activa. Si el suelo. Figura 1.4: Hélice instalada. debajo de esta zona fuese denso, una segunda hélice. debajo de la zona activa.. (mostrada en líneas discontinuas) sería incluida en la. Fuente (Pack, 2009).. zona activa, el movimiento del pilote helicoidal posiblemente podría ocurrir. El número de hélices en el fuste, más allá del mínimo mecánico exigido, no aumenta la capacidad de carga. contra. arrancamiento. el. que. se. produce (Pack, 2009). . Son muy utilizados en. áreas medioambientalmente sensibles, para soportar el tránsito peatonal, por ejemplo en. las. pasarelas. (Perko,. 2009b). Figura 1.5: Ejemplo de pilotes helicoidales sosteniendo pasarelas. Fuente (S.a.r.l., 2013).. 8.

(18) ___________________________________________________________________Capítulo I . Para reforzar los. taludes constituyen una importante. solución,. funcionando. como. anclajes. permanentes.. Con. anclajes. los. de. tornillo se obtiene una mejor. estabilidad. mejorando. los. resultados obtenidos con el. uso. de. otras. herramientas. Figura 1.6. Figura1.6: Pilotes como anclajes para el reforzamiento de taludes. Fuente (Córdova, 2008).. 1.3 Ventajas y desventajas 1.3.1 Ventajas La utilización de los pilotes helicoidales tiene varias ventajas que superan las cimentaciones tradicionales. Resulta provechoso el hecho de que con el empleo de estos pilotes se eliminan las actividades de excavación y hormigonado. - En suelos inundados o cenagosos, tradicionalmente las cimentaciones pueden ser difíciles o imposibles de realizar, con los pilotes helicoidales se convierte en un trabajo eficiente y rápido puesto que la instalación de estos tarda aproximadamente 10 minutos en estar listo el terreno para construir. Figura 1.7: Instalación de pilotes helicoidales en condiciones difíciles del terreno. Fuente (S.a.r.l., 2013).. - Lograr una capacidad mayor con menor cantidad de pilotes que con otro tipo de cimiento representa otro beneficio, aunque puede ser necesaria la utilización de vigas más grandes para lograr salvar mayores luces. - Con los pilotes helicoidales, es posible realizar una correlación combinando la torsión con la comprobación de carga por pilote en el momento de la instalación, lo que significa que no hay ninguna necesidad de probar la capacidad del suelo, se sabe absolutamente la capacidad de cada pilote para soportar la presión (DiBernardo, 2012). Esta afirmación no se considera del todo válida para Cuba pues nuestra metodología para el diseño de cimentaciones requiere un procedimiento que incluye un riguroso estudio del suelo.. 9.

(19) ___________________________________________________________________Capítulo I 1.3.2 Desventajas Aunque el uso de los pilotes helicoidales representa una gran ventaja para la construcción y reparación de cimentaciones tiene desventajas que es preciso señalar. - Se requiere la contratación de una empresa suministradora del producto y las maquinarias para la instalación de los pilotes, lo cual constituye un problema pues es necesario disponer del equipo en el momento preciso. - Es imprescindible asegurarse de la especialización del instalador en el manejo de los equipos y sus conocimientos ingenieriles. - El pilote helicoidal es un producto costoso que varía su precio según el tamaño y profundidad para la instalación (DiBernardo, 2012).. 1.4 Capacidad de carga Las metodologías existentes para el cálculo de la capacidad de carga de las cimentaciones en general y para los pilotes helicoidales en particular están basadas en métodos teóricos, pruebas de carga, métodos semi-empíricos y métodos empíricos. Las pruebas de carga se realizan en el terreno real con pilotes que tienen las mismas características que el resto que serán utilizados.. Los resultados obtenidos son. extrapolados a toda la obra. La ventaja de este método está en el hecho de que se evalúa el pilote en el lugar donde se va a emplear. Tiene el inconveniente que para evaluar todos los parámetros que intervienen en el diseño el trabajo se encarece mucho. Es por eso que las pruebas de cargas se utilizan por lo general para comprobar los resultados de los valores estimados por los demás métodos. Los métodos teóricos, se basan en los conceptos básicos de la Mecánica de los Suelos y de la interacción entre las cimentaciones y el suelo. Las teorías usan las propiedades básicas de resistencia y deformación de las cimentaciones así como las propiedades básicas de los suelos, resistencia y compresibilidad, de manera que puedan ser aplicados en diferentes suelos y configuraciones de los pilotes helicoidales. Idealmente, los métodos son independientes del equipamiento de instalación y pueden ser aplicados a todas las combinaciones reales de pilotes helicoidales en las diversas estratigrafías de suelo. Debido a las complejidades de los suelos y de la Mecánica de los Suelos, no siempre es posible reproducir completamente la conducta real del suelo en el campo, por ese motivo la mayoría de los proyectos geotécnicos están basados en métodos teóricos que han sido modificados por la experiencia. Tales métodos son denominados semi-empíricos. Los métodos empíricos son frecuentemente desarrollados y usados por los fabricantes de los pilotes helicoidales, pues poseen una gran cantidad de datos, como el torque de instalación y pruebas de carga. Los métodos empíricos están basados en correlaciones. 10.

(20) ___________________________________________________________________Capítulo I estadísticas de la capacidad de carga de los pilotes obtenidos de pruebas de carga, tal como el valor N del ensayo SPT, el torque de instalación, u otros índices (Portella, 2007). 1.4.1. Métodos para determinar la capacidad de carga de los pilotes helicoidales Atendiendo a la forma de rotura del suelo, tanto a compresión como a tracción se pueden establecer dos métodos de cálculo:  Cilindro de cizallamiento  Capacidades individuales. Figura 1.8: Mecanismos de ruptura a tracción y compresión por los métodos anteriores. Fuente (Young, 2012).. 1.4.2 Trabajo a compresión Métodos teóricos: “cilindro de cizallamiento” La capacidad de carga, Qu, es calculada de forma general por la suma de: la resistencia de la hélice inferior para el caso de compresión (Qp), la resistencia del cilindro de cizallamiento (Qf) y la resistencia debido al fuste (Qs) como se presenta en la siguiente expresión. Qu= Qp + Qf + Qs. (1.1). La Ecuación 1.1 es una ecuación genérica para el método del cilindro de cizallamiento, cada término de resistencia puede ser subdividido de acuerdo con los parámetros de resistencia del suelo, ángulo de fricción interno del suelo y cohesión como aparece a continuación. Qu= Qps + Qpc + Qfs + Qfc + Qss + Qsc. Qp. Qf. (1.2). Qs. Donde: Qps y Qpc representan la resistencia de la hélice inferior, debido al ángulo de fricción interno y la cohesión respectivamente, Qfs y Qfc representan la resistencia del cilindro de cizallamiento debido al ángulo de fricción interno y la cohesión. 11.

(21) ___________________________________________________________________Capítulo I respectivamente, Qss y Qsc, representan la resistencia del fuste, debido al ángulo de fricción interno y la cohesión respectivamente. Varios autores enfocaron sus estudios a la determinación de la capacidad de carga a compresión por el método del cilindro de cizallamiento para diferentes condiciones del suelo. Los estudiados para determinar posteriormente los que más se ajustan al caso de Cuba fueron: (Sprince and Pakrastinsh, 2010), Mitsch y Clemence en 1985 que analizan posteriormente (Ying Zhang, 1999), (Donald A. Deardorff, 2008), (Saskatchewan, 2010), (Sakr, 2011a), (Jeffrey, 2012); Rao, Prasad y Shetty (1991), Perko y Rupiper (2000) y Stephenson (2003) que son estudiados por (Portella, 2007). Las expresiones presentadas por estos autores serán descritas detalladamente en el anexo 1. Métodos teóricos: “capacidades individuales” Los métodos denominados como capacidades individuales asumen que la ruptura del sistema pilote - suelo, ocurre en cada hélice individualmente, asimismo la capacidad de carga Qu es la suma de la capacidad de carga de cada hélice. La ecuación 1.3 es una ecuación genérica para determinar la capacidad por este método.. Qu=∑. (1.3). Los autores que estudiaron de forma exhaustiva este método para determinar la capacidad de carga a compresión fueron: (Sprince and Pakrastinsh, 2010), Adams y Klym(1972), Stephenson (1997), Perko y Rupiper (2000) que posteriormente analizó (Portella, 2007). Las expresiones presentadas por estos autores serán descritas detalladamente en el anexo 2. 1.4.3 Trabajo a tracción El problema de la determinación de la capacidad de pilotes sometidos a tracción se ha estudiado de forma exhaustiva recientemente en la mecánica de suelos. Fue en 1960 que este problema pasó a ser abordado con más atención. Existen varios métodos de cálculo que permiten determinar la resistencia de cimentaciones profundas sometidas a esfuerzos a tracción. En la bibliografía consultada se demuestra que los pilotes helicoidales son eficientes mayormente a tracción por lo que gran parte de los estudios está enfocado hacia este tema. La descripción de estos métodos de forma profunda puede ser encontrada en varios documentos de los cuales es preciso mencionar las tesis de (Young, 2012) y (Da Costa Santos, 2013) quienes realizaron comparaciones llegando a resultados interesantes mediante ensayos de laboratorio y de campo para suelos cohesivos a tracción.. 12.

(22) ___________________________________________________________________Capítulo I Métodos teóricos: “cilindro de cizallamiento” El método de cilindro de cizallamiento asume que, cuando un pilote está cargado a tracción, ocurre la formación de una superficie cilíndrica de suelo entre las hélices. La capacidad de carga a tracción, es calculada como la suma de resistencias del cilindro de cizallamiento Qf, la resistencia de carga de la hélice superior, Qp, (Hoyt y Clemence, 1989). Algunos autores como: (Mitsch y Clemence, 1985 y Mooney, Adamczak y Clemence, 1985) asumen la resistencia de adhesión y fricción del suelo al fuste como Qs. La expresión general para determinar la capacidad de carga a tracción es: Qu=Qf + Qp + Qs. (1.4). Los autores que inclinaron sus investigaciones a determinar la capacidad de carga a tracción de los pilotes helicoidales mediante el método cilindro de cizallamiento fueron: Mooney, Adamczak y Clemence (1985), Perko y Rupiper (2000), Udwari, Rodgers y Singh, RAO et al (1989), Das (1990), Rao, Prasad y Veeresh (1993), Stephenson (2003), citados por (Portella, 2007), (Niroumand et al., 2012). Las expresiones presentadas por estos autores serán descritas detalladamente en el anexo 3. Métodos teóricos: “capacidades individuales” Los métodos denominados como capacidades individuales son determinados mediante la misma expresión genérica que en compresión. Ecuación 1.3. Los autores que estudiaron de forma exhaustiva este método para determinar la capacidad de carga a tracción fueron: A.B.Chance (1994), Stephenson (1997), Perko y Rupiper(2000),. Stephenson. (2003). que cita. a. Earth. Contact Products,. Rao,. PrasadyVeeresh (1993), citados por (Portella, 2007), (Tsuha et al., 2012). Las expresiones presentadas por estos autores serán descritas detalladamente en el anexo 4. 1.4.4 Trabajo a carga lateral A diferencia de los pilotes helicoidales sometidos a cargas de compresión y tracción que han sido ampliamente estudiados, para cargas laterales los estudios son más reducidos y posiblemente sea la última década donde se han estudiado con más profundidad y se ha construido el equipamiento y los pilotes con posibilidad de soportar grandes cargas laterales (Sakr, 2010b). (Prasad and Rao, 1996) en ensayos a escalas de laboratorio en suelos arcillosos proponen como fuerzas resistentes para pilotes rígidos las que aparecen en la figura 1.9.. 13.

(23) ___________________________________________________________________Capítulo I. Figura 1.9: Carga lateral última en pilotes helicoidales (Prasad and Rao, 1996).. -. Resistencia lateral ofrecida por el suelo que se encuentra alrededor del pilote.. -. Resistencia a compresión ofrecida por el suelo que se encuentra debajo de las hélices Pbi.. -. Resistencia a tracción ofrecida por el suelo que se encuentra por encima de las hélices Pui.. -. Resistencia a fricción ofrecida por el suelo que se encuentra sobre las hélices.. Por otra parte (Hoyt, 2007; Perko, 2000, Perko, 2004b; Puri, Stephenson, Dziedzic, y Goen, 1984) tratados por (Perko, 2009b) plantean que los pilotes helicoidales con fustes tubulares y acoplamientos rígidos son la mejor solución para apoyar las cargas laterales. El análisis de carga lateral puede subdividirse en dos categorías basadas en el comportamiento pilote-suelo: rígido y flexible. El análisis rígido puede realizarse en los pilotes relativamente cortos, el pilote se comporta como un cuerpo rígido y gira sobre un punto fijo en la tierra. El análisis flexible generalmente se trata de pilotes largos y delgados como aquellos usados en edificios y otras estructuras que requieren una significativa capacidad axial y lateral. En este análisis, la rigidez estructural del fuste del pilote debe tomarse en cuenta junto a su interacción con la tierra.. 14.

(24) ___________________________________________________________________Capítulo I Un método desarrollado por (Broms, 1964) y (Broms, 1965) para pilotes sometidos a cargas laterales involucra un análisis estático simplificado. Broms derivó un tratamiento separado y distinto en suelos cohesivos y friccionales. Las figuras 1.10 y 1.11 muestran los diagramas de las tensiones de la tierra, el cortante y el momento propuestos por Broms para suelos cohesivos y friccionales respectivamente. Estos conceptos son los abordados por los autores anteriormente mencionados.. Figura1.10:Tensiones en los pilotes helicoidales rígidos o cortos en suelos cohesivos (Broms, 1964) tratado por (Perko, 2009b) y (Chance, 2003).. Figura1.11: Tensiones en los pilotes helicoidales rígidos o cortos en suelos friccionales (Broms, 1964) tratado por (Perko, 2009b) y (Chance, 2003).. En la figura 1.12 se representa el mecanismo de rotura de un pilote sometido a carga lateral y en la figura 1.13 aparecen los gráficos de la distribución probable de presiones sobre los pilotes propuestos en el artículo original de Broms tratado por Lima, (2008) y que son los que se toman en cuenta en la propuesta de norma cubana para el caso de pilotes rígidos. Figura 1.12: Croquis referidos a los modos de falla de los pilotes. a) Falla por rotación o traslación: pilote rígido.. b) Falla por flexión:. pilote largo. Fuente (Lima, 2008).. 15.

(25) ___________________________________________________________________Capítulo I. Figura 1.13: Gráfico de distribución real de la presión sobre el pilote rígido. Fuente (Lima, 2008).. Para dar respuesta a la solución de estos problemas existen un conjunto de ecuaciones en diferentes literaturas como puede ser Lima, (2008) que analizó el caso de pilotes cortos (rígidos) las cuales se detallarán en el anexo 5. En el análisis de un pilote profundamente flexible o largo, se tienen en cuenta las propiedades estructurales y flexibilidad del fuste. Un diagrama que muestra el ejemplo de la distribución de tensión en tierra de un pilote helicoidal largo es el representado en la figura 1.14. Puede verse en la figura la flexión del fuste en el lugar de la rotación del cuerpo rígido (Perko, 2008). Figura 1.14: Distribución de tensiones en la tierra de un pilote helicoidal largo o flexible. Fuente (Perko, 2009b).. Uno de los métodos simples para realizar el análisis de este tipo de pilotes flexibles, es el programa L-PileTM de Ensoft, desarrollado originalmente por el investigador Lymon C. Reese de la Universidad de Texas. El software usa elementos discretos para resolver el método convencional de análisis p-y y tiene varias curvas predefinidas p-y para diferentes tipos de suelo (Perko, 2009b). (Sakr, 2010b) realiza pruebas de carga en Alberta, Canadá con pilotes que soportan grandes cargas laterales tanto en suelos cohesivos como friccionales, y comparó los resultados con los obtenidos en el software L-PileTM, logrando una correspondencia aceptable.. 1.5 Interpretación física del proceso de instalación de los pilotes helicoidales  Pilotes con hélices de igual diámetro El efecto del paso de las hélices al ser colocado el pilote es el siguiente:. 16.

(26) ___________________________________________________________________Capítulo I  En el caso que el pilote tenga una sola hélice, después que la misma penetra, el suelo que queda por encima de ella está alterado solo una vez, o sea, fue cortado, deformado y modificado una vez en relación con el estado intacto inicial del mismo.  Para el caso de pilotes con dos hélices, la primera alteraría el suelo hasta el final de la colocación y la segunda pasaría por el mismo suelo hasta su posición, quedando el suelo por encima de ella modificado dos veces.  En el caso de tres hélices es la misma lógica del caso anterior, el suelo que queda por. Figura 1.15: Efecto de la colocación del. encima de la segunda hélice ha sido alterado. pilote helicoidal con diámetros iguales.. dos veces y el colocado por encima de la. Fuente (Da Costa Santos, 2013). tercera ha sido alterado tres veces.  Pilotes con configuración cónica  En el caso que el pilote tenga una sola hélice es igual al caso anterior.  Para el caso de dos hélices, que son de diámetros diferentes, la segunda mayor que la primera. En este caso la segunda hélice pasa dos veces por una zona doblemente alterada, pero queda una zona por encima de ella que ha sido alterada una sola vez.  Con tres hélices ocurre un fenómeno similar al anterior. Esta explicación ayudará en lo adelante a interpretar los resultados de pruebas de carga. Figura 1.16: Efecto de la colocación del pilote. helicoidal. cónico.. Fuente. (Da. Costa Santos, 2013). realizadas por diferentes autores.. 1.6 Métodos de diseño En el diseño en la ingeniería existen toda una serie de incertidumbres, al trabajar en lo fundamental con parámetros aleatorios, que no permiten acometerlo de forma que se logre simplemente una igualdad entre la función de las cargas o esfuerzos actuantes y las cargas o esfuerzos resistentes, debiéndose introducir en el mismo una seguridad adecuada que permita el correcto funcionamiento de las estructuras dentro de una probabilidad razonable y con la máxima economía posible.. 17.

(27) ___________________________________________________________________Capítulo I En geotecnia se han utilizado distintos métodos de diseño donde lo que ha cambiado en lo fundamental es la forma de introducir la seguridad en el mismo, siendo los siguientes (Quevedo, 2002): . Método de la Esfuerzos Admisibles. (MEA). . Método del Factor de Seguridad Global. (MFSG). . Método de los Estados Límites. (MEL). Uno de los primeros Métodos de diseño fue el de las Esfuerzos Admisibles cuya ecuación fundamental es: Y1k ≤Y2admisible. (1.5). En esta ecuación Y1k: función de los esfuerzos actuantes, determinados a partir de las. cargas. características. Y2admisible: valor del esfuerzo admisible del material con que se trabaja. En este método, que está muy ligado con el uso de modelos lineales y elásticos del material, toda la seguridad en el diseño se introduce al definir el esfuerzo admisible, el que siempre es un valor muy pequeño, lejos de la falla y que le garantice un comportamiento lineal. Es bueno aclarar que al determinar la función Y1k a partir de las cargas características se introduce en el diseño una cierta seguridad que muchas veces no es valorada, al desconocerse en la mayoría de los casos la relación entre carga media y característica. Método del Factor de Seguridad Global, cuya ecuación es: Y1k Y2 / K. (1.6). Siendo: Y1k: función de los esfuerzos actuantes, determinados a partir de las cargas características. Y2: función de los esfuerzos resistentes de rotura, determinados con los valores medios de la resistencia de los materiales. K: factor de seguridad global. En este método la función Y1k es igual al caso anterior, mientras que la función Y2 simula capacidad resistente en la falla, con el uso de modelos plásticos, introduciendo la seguridad a través del coeficiente de seguridad global K, que tiene que tomar todas las incertidumbres en el diseño y por tanto como regla es un valor alto para alejar el estado tensional de trabajo del de falla. Se puede plantear que aún este sigue siendo el método más usado en el campo de la geotecnia. Método de los estados limites En este método se establecen dos condiciones límites de diseño:. 18.

(28) ___________________________________________________________________Capítulo I 1er Estado Límite: estado en que se diseña para lograr la resistencia y estabilidad de la estructura, con los valores de cálculo. do. 2. Estado Límite: estado que garantiza el servicio y utilización de la estructura, se. chequean factores como la deformación y la fisuración de la misma para los valores reales de servicio. La ecuación que rige el diseño del 1er Estado Límite es: Y1*Y2*λs. (1.7). Donde: Y1*: función de las cargas actuantes con sus valores de cálculo Y2*: función de las cargas resistentes con su valor de cálculo. s: Coeficiente de seguridad adicional, que depende de las condiciones de trabajo generales de la obra y el tipo de fallo. En Cuba los primeros trabajos de aplicación de los estados límites al diseño de cimentaciones se realizaron a finales de la década de los 80 (Quevedo 1987), llevándose a cabo posteriormente toda una serie de investigaciones en la misma dirección. (González 2000; Álvarez 1998; Oliva 1999; Caso 1998; Diego 1999), que han permitido tener la base teórica para la introducción general de los estados límites en el campo de la geotecnia (Quevedo, 2002). En 2009 Lima también utiliza este método en su trabajo. 1.6.1 Métodos utilizados para el diseño de los pilotes helicoidales En (Young, 2012) se realiza el cálculo de los coeficientes de seguridad para aplicar el método de los estados límites al diseño de pilotes helicoidales trabajando a tracción en suelos arcillosos. La calibración la realiza aplicando la filosofía del LRFD. El método utilizado por un conjunto de autores estudiados como (Perko, 2009a), (Pack, 2009), (Watson, 2014) es el factor de seguridad global.  (Perko, 2009a) plantea que un factor de seguridad de 3.0 es usado normalmente en los cálculos de capacidad de carga última de los pilotes helicoidales. Sin embargo, como el proceso de instalación de este tipo de cimentación incluye una medida indirecta de fuerza de la tierra según la profundidad de la cimentación, considera que es permisible un menor factor de seguridad. La Sociedad americana de Ingenieros Civiles (1996) explica que un factor de seguridad de 1.5 es aceptable para las cimentaciones con pilotes helicoidales. Típicamente es usado en este tipo de cimentación un factor de seguridad de 2.0. Para llegar a la capacidad real del pilote (Pack, 2009) aplica un factor de seguridad (2) a la capacidad última.. 19.

(29) ___________________________________________________________________Capítulo I Está dentro de la prerrogativa del diseñador usar un factor de seguridad más bajo si la estructura lo garantiza. Es común el uso de factores de seguridad de 1.5 a 1.8 para estructuras temporales o no críticas.. 1.7 Influencia de: espaciamiento entre las hélices, número de hélices, formas del fuste. 1.7.1 Influencia del espaciamiento de las hélices Fue observado por (RAO et al., 1989) y analizado por (Portella, 2007), (Young, 2012), (Da Costa Santos, 2013), que con el aumento del número de hélices, ocurre un decrecimiento del torque en la instalación. A causa de esto puede ser que con más hélices, el hincado resulte más fácil. Se puede observar que con el aumento del diámetro de las hélices resulta mayor el torque de instalación y de la capacidad de carga. La figura 1.17 muestra 3 pilotes luego de una prueba de carga,. se observa la. formación de una superficie cilíndrica de rotura de suelo entre las hélices que aumenta con la reducción de la distancia entre ellas. capacidad. También está claro que la de. carga. y. el. torque. de. Figura 1.17: Pilotes luego de realizada una prueba de carga: a) 4 hélices S/D=1.5; b) 3. instalación crecen con la diminución del. hélices, S/D=2; c) 2 hélices, S/D=4.5. Fuente. contenido de humedad del suelo, indicando. (RAO et al., 1989), (Tappenden, 2006).. que existe una relación entre los dos. Con la reducción del espaciamiento entre las hélices para S/D=1.5, la superficie de falla quedó bien próxima a un cono cilíndrico; mientras que se asemeja a un fallo por capacidades individuales para S/D>1.5. La distancia entre las hélices es de: h = 45,75 cm para un pilote con 2 hélices, h = 22,90 cm para un pilote con 3 hélices y h = 15.2 cm para un pilote con 4 hélices. 1.7.2 Influencia de la forma de las hélices - Las hélices pueden verse en diferentes formas, una innovadora manera de presentarlas fue la mostrada y patentada en 2006 por Slemons. Figura 1.18: Hélice de Slemons. Fuente (Perko, 2009b).. 20.

(30) ___________________________________________________________________Capítulo I - La hélice de Slemons tiene perímetro octagonal, está formada por hendiduras estructurales estampados que radian el exterior del fuste central. Estas hendiduras son hechas para aumentar la flexión y resistencia de la hélice a la penetración, obteniendo como resultado un aumento de la capacidad productiva y una menor desviación de la hélice individual. - Otra reciente innovación en la forma de la hélice, es la hoja de corte dual del borde, comercializado por Magnum Piering mostrado en la figura 1.19. La hoja de corte dual del borde tiene una porción de hélice quitada. para. que. el. borde. delantero. represente. aproximadamente las dos terceras partes del radio de un círculo que inscribe la hélice entera. Un segundo borde cortante se localiza 180 grados opuestos del borde delantero y se extiende al radio lleno de la hélice. De esta manera, los esfuerzos a cortante ejercidos durante la instalación son Figura 1.19: Hélice de corte dual del borde. Fuente (Perko, 2009b).. equilibrados en ambos lados. La hoja de corte dual permite la instalación del pilote helicoidal con más seguridad, por lo. cual aumenta el poder de penetración y la estabilidad lateral del pilote. Aunque un pilote helicoidal con este tipo de hélice puede penetrar con más facilidad en suelos profundos puede ocasionar más afectaciones al material denso que una hélice redonda normal equivalente. 1.7.3 Influencia de la forma del fuste La forma cuadrada del fuste del pilote puede reducir las fuerzas de tracción que se producen. La figura 1.20 muestra un corte transversal del fuste cuadrado de un pilote helicoidal de 38.1mm. Cuando el fuste. se. instala,. sólo. sus. esquinas. redondeadas cortan los lados de la zona alterada adyacente al fuste. Hay una zona. Figura 1.20: Corte transversal del fuste del pilote helicoidal. Fuente (Pack, 2009).. de tierra que está contra los lados del fuste de acero que no lo impacta de forma directa. La tracción obliga directamente al impacto sólo en las esquinas del fuste, no en los lados rectos entre ellas. La fuerza a tracción de los suelos expansivos que hay entre las esquinas tiene que actuar, la zona pasiva entre ellas entonces transmite las fuerzas a través de esta zona al fuste. La magnitud en que se reduce la fuerza de tracción no se ha estudiado específicamente, pero hay que considerar que cuando la geometría del fuste es cuadrada está ocurriendo una reducción.. 21.

(31) ___________________________________________________________________Capítulo I. 1.8 Otras formas de determinar capacidad de carga. 1.8.1 Torque Para establecer un método de cálculo que permita la determinación del torque en la instalación de los pilotes helicoidales, (R.M. Hoyt and S.P. Clemence, 1989), (Weech, 2002), (Chance, 2004), (Clayton, 2005), (Portella, 2007), (Donald A. Deardorff, 2008), (Willis, 2009), (Supportworks, 2009), (Pack, 2009), (Perko, 2009a), (Perko, 2009b), (Buhler and Cerato, 2010), (Sakr, 2010a), (Solid, 2010), (Saskatchewan, 2010), (Sakr, 2011a), (Jeffrey, 2012), (Sakr, 2012), (Young, 2012), (Tsuha and Aoki, 2013), (Da Costa Santos, 2013) recurrieron a la expresión: Qu= ktT. (1.8). Donde: Qu: la capacidad última del pilote helicoidal o ancla de tensión, (kN) kt: el coeficiente empírico de torsión de instalación, (m -1) t: la torsión de la instalación Mínima (kN-m) El coeficiente empírico de torsión en la instalación “kt” es determinado por diferentes métodos y expresiones. Según resultados obtenidos de la revisión bibliográfica los autores realizan los siguientes planteamientos: . El valor del factor kt depende de la geometría del pilote helicoidal. Para los pilotes con. diámetros del fuste menores de 0.051m, Hoyt and Clemence (1989) recomiendan un valor de 3.05m-1, en pilotes de 0.076m debe ser de 2.44m-1 para el caso de fuste redondo(Perko, 2009a). . Para la determinación del coeficiente empírico de torsión en la instalación Perko. (2009) propuso la siguiente relación: kt=. (1.9). Donde: k:. factor=1433mm0.92/m. deff: diámetro del fuste en pilotes redondos . Los valores para el coeficiente kt varían ligeramente entre los diferentes fabricantes. de pilotes helicoidales, la siguiente tabla muestra algunos valores típicos según (Watson, 2014) para carga lateral. Tabla 1.1: Variaciones del coeficiente kt según las dimensiones del fuste.. Dimensiones del fuste (m) Fuste cuadrado 0.073 0.089 Fuste 0.114 redondo 0.219. 22. kt(m-1) 3.05 2.44 2.13 1.83 1.37.

(32) ___________________________________________________________________Capítulo I . Se plantean los siguientes valores de kt en compresión por (Willis, 2009). Tabla 1.2: Variaciones del coeficiente kt según los diámetros del fuste.. Diámetro del fuste (m) 0.060 0.073 0.089 0.114. kt(m-1) 10 9 8 7.  A tracción (Portella, 2007) propone los siguientes valores de kt estudiados por: Hoyt y Clemence (1989). Tabla 1.3: Variaciones del coeficiente kt según los diámetros del fuste.. Diámetro del fuste (m) 0.089 0.089 0.219. kt(m-1) 33 23 9.8. Perko y Rupiper (2000) Tabla 1.4: Variaciones del coeficiente kt según los diámetros del fuste.. Diámetro del fuste (m) 0.076 0.064. kt (m-1) 23 30.  A tracción (Tsuha and Aoki, 2013) proponen la siguiente expresión para determinar el coeficiente de torsión:. k t=. (. ). (. ). (1.10). Donde: Qs: capacidad relativa a la fricción lateral Qu: capacidad última del pilote Qh: capacidad relativa de las hélices d: diámetro externo del fuste : ángulo que forma la superficie de la hélice con la horizontal δr: ángulo de fricción en la interface entre la hélice y la arena envolvente Esta expresión posibilita determinar kt después de haber efectuado pruebas de carga. 1.8.1.1 Forma en que se desarrolla el torque durante la instalación del pilote Como se muestra en la figura 1.21, el torque necesario para introducir el pilote en el terreno se divide en dos partes, una resistida por la fricción lateral del fuste (Ts) y la otra que es la necesaria para lograr que las hélices del pilote penetren en el suelo (Th).. 23.

(33) ___________________________________________________________________Capítulo I. Figura1.21: Partes en que se divide el torque aplicado al pilote. Fuente (Da Costa Santos, 2013), (Tsuha, 2007). En (Da Costa Santos, 2013) y (Tsuha, 2007) se evalúan las partes del torque que son necesarias para introducir cada hélice por separado en la profundidad, figura 1.22.. Figura 1.22: Porcentaje del torque resistido para cada hélice en tres pilotes ensayados. Fuente (Da Costa Santos, 2013). 1.8.2 Pruebas de carga Para el estudio del comportamiento de los pilotes helicoidales y su instalación se han realizado pruebas de carga para determinar diferentes factores. Ejemplo de esto son: (Portella, 2007) quien realizó pruebas de carga a tracción y compresión, (Paschoalin Filho et al., 1991) encaminó su estudio a verificar las deformaciones sufridas por el pilote a medida que se incrementa la carga con pruebas estáticas de tipo lentas, (Da Costa. 24.

(34) ___________________________________________________________________Capítulo I Santos, 2013) comparó los resultados que se obtuvieron con pruebas a tracción en pilotes de 2 y de 3 hélices, (Elsherbiny and El Naggar, 2013) en suelos arenosos y arcillosos realizó pruebas de carga a compresión y carga lateral, (Perko, 2009b) estudió la carga cíclica además de pruebas a tracción y compresión, (Rocha et al., 2002), (Menezes et al., 2006), (Tsuha, 2007), (Tappenden and Sego, 2007), (Buhler and Cerato, 2010), (Lutenegger, 2011), (Sakr, 2011b),(Young, 2012), (Tsuha et al., 2013) profundizaron en el estudio de la capacidad de los pilotes a tracción, (Livneh and Hesham El Naggar, 2008), (Salhi et al., 2013), (Donald A. Deardorff, 2008), (Sakr, 2009) analizaron las pruebas de carga en compresión, (Dino Vito, 2011), (Sakr, 2012), (Sakr, 2010a) realizaron pruebas de carga a tracción y compresión en suelos cohesivos, (Jeffrey, 2012) midió la resistencia del cono al incrementar la distancia radial del pilote instalado en arena suelta, arena densa y arena densa a 0,5L y 1L de profundidad, (Vyazmensky, 2005) se enfocó en el análisis de la prueba de carga triaxial. Los resultados de algunas de estas pruebas serán utilizados para ilustrar los análisis en el capítulo 2 y en el capítulo 3 se emplearán los resultados para evaluar la exactitud de los diferentes métodos teóricos. 1.8.2.1 Interpretación de las pruebas de carga Santos, 2013 plantea que la mayoría de los investigadores consideran una fracción de la dimensión del diámetro de la hélice como la deformación elástica o intersección de las tangentes de la curva carga - deformación vertical para definir el criterio de rotura, tabla 1.5 Tabla 1.5: Criterios utilizados para la interpretación de las curvas cargas-asentamientos en pilotes helicoidales. Fuente: Santos, 2013. 1.8.2.2 Metodología de Van der Veen (1953) La metodología propuesta por Van der Veen (1953) representa la curva de carga vs desplazamiento que ha sido ampliamente utilizada en el mundo para extrapolar las curvas obtenidas en pruebas de carga que no fueron llevadas a la ruptura ó cuando el. 25.

(35) ___________________________________________________________________Capítulo I ensayo de carga no indica una ruptura nítida. Se puede considerar que este método tiene dos hipótesis básicas: La. forma de. la curva carga vs asentamiento de. tipo. exponencial y el modo de ruptura del tipo de ruptura física que corresponde a desplazamientos teóricamente infinitos (Barreto, 2011). El método de Van der Veen (1953) ajusta el gráfico resultante de la prueba de carga a una curva con una formulación exponencial, como se muestra en la ecuación 1.11. Q=Qu(1-e-αs). (1.11). Donde, Q es la carga correspondiente al desplazamiento s y α, son los coeficientes que dependen de las características del pilote y del suelo, el cual define la forma de la curva. Para desplazamientos grandes, la curva se torna asintótica hasta una recta vertical definida como un límite de carga de valor denominado Qu. Se tiene entonces tomada de (Barreto, 2011) la ecuación 1.12 propuesta por (Bezerra, 2003): 1- e-αs =. (1.12). Finalmente se calculan los valores del ajuste exponencial dados por la siguiente ecuación partiendo de un valor de carga cualquiera “Qu” y luego se dibujan en un gráfico en función del desplazamiento s: αs=-Ln(1Es. ). (1.13). entonces. realizar. que,. tanteos. al con. diferentes. valores. de. “Qu”,. obtener. el. y. resultado del gráfico de la ecuación anterior en función. del. desplazamiento 1.23), se. (Figura. obtenga. un. comportamiento lineal, el. Figura 1.23: Extrapolación de la curva según el método de Van der Veen. Fuente (Barreto, 2011).. valor. adoptado de “Qu” que lo originó corresponderá a la carga de ruptura (Valencia et al, 2008).. 1.9 Modelación Los pilotes helicoidales han sido representados por modelos matemáticos que permiten una descripción del fenómeno trabajando en compresión, tracción y carga lateral. En la Figura 1.24 se muestra un modelo con elementos finitos realizado por (Livneh and Hesham El Naggar, 2008) con el objetivo principal de definir el mecanismo de falla ante el trabajo a compresión de cada pilote helicoidal.. 26.

(36) ___________________________________________________________________Capítulo I El modelo fue realizado con el software Plaxis 3D Foundation capaz de realizar un análisis tridimensional de la interacción suelo-cimiento. Figura 1.24: Comportamiento a compresión de un pilote en 3D. Fuente (Livneh and Hesham El Naggar, 2008). En la figura 1.25 se muestra un modelo con elementos finitos que representa el trabajo a compresión de un pilote helicoidal en suelos estratificados. Figura 1.25: Modelo con elementos finitos de un pilote helicoidal en suelos estratificados(Perko, 2009b).. Figura 1.26: Ejemplo geométrico numérico para un pilote sujetado a carga axial. Fuente (Elsherbiny and El Naggar, 2013). En la figura1.26 es representado un modelo con elementos finitos que usa el programa ABAQUS para simular el trabajo de un pilote helicoidal sometido a carga axial (Elsherbiny and El Naggar, 2013).. 1.10 Tipos comerciales La Empresa Techno Pieux oferta los pilotes helicoidales de una o varias hélices, con fuste de sección circular, el material es acero negro o galvanizado. Existen otras empresas que fabrican pilotes helicoidales con diferentes características, algunos de ellos son: Canadian Anchors SAS presta el servicio de instalación de anclajes de tornillos y pilotes (temporales o definitivos) usando dos camiones Ford F-800 que cuentan con una torre de perforación (derrick) para este propósito. El pilote que ofertan está constituido por una o varias hélices, el eje o fuste central de sección redonda, el pie o base del pilote, la unión y la perforación del amarre (Lutz, 2011). Figura 1.27: Partes componentes del Canadian Anchors. Fuente (Lutz, 2011).. 27. pilote.

(37) ___________________________________________________________________Capítulo I Viking Helical Anchors oferta pilotes de una o varias hélices que. presentan. variados. diámetros y longitudes tanto del fuste como las hélices. Además ofertan extensiones de los pilotes que pueden ser de gran utilidad para llegar. Figura 1.28: Pilote ofertado A, extensiones ajustables al pilote B1 y B2 (Viking, 2013).. a una profundidad deseada (Viking, 2013).. 1.11 Análisis del comportamiento de los suelos 1.11.1 Análisis para suelos c- Como se ha visto, existen expresiones que son utilizadas para suelos con comportamiento c-φ, c o φ. En el diseño de pilotes las principales normativas trabajan solo los casos c o φ. Es por eso que una forma de resolver los suelos c- φ es recurriendo a una solución ingenieril donde se transforma el suelo en: puramente cohesivo o puramente friccional utilizando los procedimientos siguientes: 1.11.1.1 Si  > 25. Suelo predominantemente friccional Este suelo se convierte en un suelo  y el problema se resuelve utilizando. las. expresiones. de. cálculo que ya se analizaron para este tipo de suelo, teniendo en cuenta el incremento que produce una presión equivalente según los estados correspondientes, Caquot y Kerisel (1966), definidos por. Figura 1.29: Estados correspondientes, Caquot y Kerisel. ellos de la siguiente manera:. (1966). Fuente (Lima, 2008).. imaginemos que por un medio cualquiera, que se supone existente sin necesidad de definirlo, añadimos a todas las tensiones correspondientes a cualquier punto del medio y para cualquier orientación de plano, una presión uniforme (Ecuación 1.14). Esto equivale a aplicar al círculo de Mohr una traslación Pe paralela al eje de las . Pe=c*/tg*.. (1.14). 1.11.1.2 Si < 25. Suelo predominantemente cohesivo Se determina una cohesión equivalente (ceq), L’Herminier (1968) tomado de (Lima, 2008). ceq .  o .sen  cos  1  (1  2 A).sen. A - coeficiente de Skempton.. 28. (1.15).

(38) ___________________________________________________________________Capítulo I.  o - tensión en el punto medio del estrato. Tabla 1.6: Valores de A. Jiménez Salas (1980). Fuente (Lima, 2008).. Arcilla de alta sensibilidad Arcilla normalmente consolidada Arcillas arenosas compactadas Arcillas ligeramente pre consolidada Gravas arcillosas compactadas Arcillas fuertemente pre consolidada. 0,75 a 1,50 0,50 a 1,00 0,25 a 0,75 0.00 a 0,50 -0,25 a 0,25 -0,50 a 0.00. 1.12 Revisión del asentamiento bajo carga axial. Fuente (Lima, 2008). En la literatura consultada no se encontró ningún trabajo que tratara esta temática, para el caso de los pilotes trabajando a carga axial la (NC Pilotes, Fase de elaboración) propone que debe cumplirse la condición: Sc  Slím. (1.16). Sc - valor calculado de la deformación Slím - deformación permisible. Ver norma para el diseño geotécnico de cimentaciones superficiales (NC Diseño Geotecnico, Fase de aprobación) NOTA: Para el cálculo de la deformación del pilote se supone que será igual al que alcance un cimiento equivalente, con las siguientes dimensiones: Presión de Contacto Pilote Cuadrado:. Pilote Circular:. p' . N'. b  2 L tg   2 p' . p. (1.17). 4N '.   D0  2 L tg  . 2. p. (1.18). Base equivalente be = (b + 2Ltg) ; le=(l + 2Ltg). Figura 1.30: Cimiento equivalente para el cálculo de asentamientos en pilotes.. 29. (1.19).