1
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior De Ingeniería Y Arquitectura
Unidad Zacatenco
“Comparación de metodologías de diseño de celdas
estructuradas como solución de cimentación en la línea 12 del sistema de transporte colectivo metro, de la ciudad de México”
Tesis
Que para obtener el título de
Ingeniero Civil
Presenta
García Hernández Andrés Alejandro
Asesor:
M. en I. Ricardo Rodríguez Segura
México, D.F. Octubre, 2013.
2
PILAS
PILA PILA
CILINDRO
N.T.N. N.T.N.
AGRADECIMIENTOS:
A mis padres primordialmente y en forma muy especial, ya que son los que en verdad me instruyen, sin duda alguna son partes muy importantes en mi vida y que son insustituibles, estoy infinitamente agradecido, por todas sus enseñanzas morales, por todo el espléndido apoyo, comprensión, amor y cariño que me ofrecen incondicionalmente y que me motiva a perseverar para lograr mis objetivos, cumpliendo así mis expectativas y visiones futuras.
Me han alentado a seguir por el camino correcto, la forma de aplicar la inteligencia para adquirir una experiencia que marque íntegramente mi formación.
Al Ingeniero Germán Arenas, del área de mecánica de suelos del Sistema de transporte colectivo metro, (2011)y al Ingeniero Juan Antonio Giral y Mazón, Director de Proyecto Sistema Metro (2011).que intervinieron en la construcción de la línea 12 del sistema de transporte colectivo metro de la ciudad de México, y que durante el proceso de
construcción e investigación me proporcionaron información.
A mi maestro, Ingeniero Ricardo Rodríguez Segura, ya que gracias a su apoyo, asesoría y paciencia incondicional, hizo posible la realización del presente trabajo, fue de vital importancia su participación, ya que me brindó siempre consejos, valiosos conocimientos, para aprovechar las oportunidades que se nos presentan y los recursos con los que contamos, la aplicación adecuada de nuestros conocimientos.
A los compañeros del taller de Geotecnia por las aportaciones y opiniones vertidas en el presente trabajo de investigación, ya que esto originó una retroalimentación en todos los aspectos, coadyuvando a formar invaluables criterios y visiones en el ámbito de la construcción.
Aspira siempre a superarte, No aspires nunca a ser perfecto, Simplemente aspira a ser mejor, La perfección no existe, no es propio de los hombres, Pero la capacidad de ser mejor si está en ti;
Añade una nueva meta cada día, Alcánzala y serás cada día mejor”.
3 INDICE
Introducción……… 4
Capítulo 1 TIPOS DE CIMENTACIONES 1.1.- Antecedentes……… 6
1.2.- Factor de seguridad en cimentaciones Consideraciones en la Práctica de la Ingeniería Civil……….. 7
1.3.- Cimentaciones superficiales……….. 7
1.4.- Consideraciones en el RCDF y sus NTC ……… 10
1.4.1.-Estados límite de falla……… 11
1.4.2.-Estados limite de servicio……… 11
1.5.- Cimentaciones profundas……… 12
1.5.1.- Pilotes de fricción……… 13
1.5.2.-Asentamientos de grupo de pilotes en arcillas……… 13
1.5.3.-Pruebas de carga en pilotes……… 14
1.6.-Consideraciones en el RCDF y sus NTC……… 14
1.6.1.-Cimentaciones con pilotes de fricción……… 14
CAPITULO 2 CELDA ESTRUCTURADA 2.1.- Definición de celda estructurada ……… 15
2.2.- Ventajas y desventajas de una celda estructurada……… 17
2.3.- Celdas estructuradas con muros intermedios………. 18
2.4.- Procedimiento constructivo de la celda estructurada……… 19
Capítulo 3 COMPARACIÓN DE METODOLOGIAS DE DISEÑO DE UNA CELDA ESTRUCTURADA 3.1.- Marco de referencia del método 1. ………27
3.2.- Resistencia a la penetración………. 29
3.3.- Marco de referencia del método 2 ………30
3.4.- Carga límite de colapso……… 31
3.5.- Validación del mecanismo de falla y cálculo del factor de Forma (Ff 3.6.- Mecanismo de falla a la penetración de las celdas estructuradas…... 34
) de las celdas estructuradas……….... 32
3.7.- Factor de profundidad, fp de las celdas estructuradas……….... 34
Capitulo 4 APLICACIÓN DE METODOLOGIAS DE DISEÑO GEOTECNICO DE UNA CELDA ESTRUCTURADA EN LA LINEA 12 4.1.- Hipótesis de diseño de la 1era metodología……… 36
4.2.1- Análisis geotécnico.……… 37
4.2.2.-Acciones a cimentación……… 37
4.3.- Determinación de la capacidad de carga……… 38
4.3.1.-Resistencia por fuste (Unit Skin friction) ……… 38
4
4.3.2.- Resistencia por punta (Unit End Bearing)……… 40
4.3.3.- Transferencia de carga……….. 42
4.3.3.- Capacidad de carga por punta ………... 43
4.3.4.- Calculo de la capacidad de carga por punta……….... 44
4.3.5- Carga accidental………. 47
4.4.1- Acciones………... 47
4.4.2.- Resistencia por presión horizontal……… 48
4.4.3.- Resistencia por fricción lateral………... 50
4.4.4.- Estabilidad del sistema………... 51
4.4.5.- Módulos de reacción horizontal………. 53
4.5.- Asentamientos de cimentaciones profundas………... 55
4.5.1.- Método de la zapata ficticia………... 55
4.5.2- Asentamientos Modelo simplificado Mindlín………. 56
4.5.3.- Método II……… 57
4.5.4.- Método Mindlin……… 58
4.5.5.- Método Tamez……… 60
4.6.- Aplicación del método de análisis simplificado propuesto por Sergio Martínez……… 61
4.6.1.-Descripción del Método de Análisis Simplificado………... 61
4.6.2- Conceptos básicos del método simplificado……… 61
4.6.3.-Aplicación………. 62
4.6.4- Parámetros geotécnicos de diseño.………... 62
4.6.5.-Procedimiento………...63
Capítulo 5 Conclusiones……… 66
Bibliografía y Referencias……… 68
5 INTRODUCCION
“Desde siempre ha existido, pero recientemente se ha incrementado, la necesidad de cimentar estructuras en suelos difíciles, de baja resistencia y de alta deformabilidad, que requieren de sistemas estructurales novedosos, para sustituir a las convencionales, tales como zapatas, losas, cajones con pilotes de fricción o de punta”
“El ingeniero de cimentaciones enfrenta, en la zona de lago de la ciudad de México, una serie de problemas ocasionados por: a) los potentes depósitos de arcillas blandas, b) los abatimientos piezométricos; y c) la amplificación (efectos de sitio) de los movimientos sísmicos”.
Como alternativa a las soluciones tradicionales para cimentar en suelos blandos de la ciudad de México, se propuso la celda estructurada, coloquialmente conocida como “vaso invertido”, la cual fue implementada recientemente en la construcción del tramo elevado correspondiente a la línea 12 de la red del sistema de transporte colectivo metro, más adelante se presentará un método de análisis simplificado para calcular su capacidad portante al ser sometida a cargas verticales sostenidas, dicho método fue desarrollado por Sergio A. Martínez Galván y Miguel P. Romo Organista, por parte del Instituto de Ingeniería de la UNAM y fue dado a conocer en la XXV Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, (SMIG), 2011.
El presente trabajo de investigación se conforma por medio de cinco capítulos, los cuales se describen brevemente a continuación:
En el capítulo 1, se abordan los antecedentes de soluciones de cimentación comúnmente utilizadas en el ámbito profesional de la ingeniería civil, las teorías más usadas para el cálculo de la capacidad de carga en cimentaciones superficiales (someras) y profundas, aunque pueden considerarse a las mixtas como es en el caso de este tema de investigación.
En el capítulo 2, se da la definición de la celda estructurada ó cajón estructurado, la cual es una solución de cimentación recientemente implementada en la ciudad de México, coloquialmente llamada “vaso invertido”, contempla un sistema losa-muros y el suelo confinado.
El capítulo 3, aborda una comparación de dos metodologías de diseño para una celda estructurada. Las metodologías de diseño que consideran al cajón estructurado como una solución de cimentación mixta, se basan en las hipótesis de diseño del proceso de cálculo.
El Capítulo 4 trata acerca de la aplicación de metodologías de diseño geotécnico de una celda estructurada en la línea 12 del STC (sistema de transporte colectivo metro) de la ciudad de México, Hipótesis de diseño, análisis geotécnico, determinación de capacidad de carga, Conceptos básicos, descripción del método de análisis simplificado, procedimiento y aplicación, así mismo se plantean las hipótesis de diseño para el método Tamez, método de la zapata ficticia y el método Mindlín.
En el capítulo 5, se describen las conclusiones y resultados que se obtuvieron en base a las metodologías, basadas en hipótesis de diseño, que se plantearon a lo largo del presente trabajo de investigación.
6 CAPITULO 1 TIPOS DE CIMENTACIONES
1.1.- ANTECEDENTES
El diseño de cimentaciones en la ciudad de México, presenta dificultades superiores a las que se encuentran en otras ciudades del mundo. Las causas principales son a) características del suelo (blando y compresible), b) Hundimiento regional y c) Alta sismicidad, el objetivo principal de las cimentaciones es de transmitir las cargas de una estructura a los estratos resistentes del subsuelo
En primera instancia se encuentra la falla por capacidad de carga, la cual se debe al mal comportamiento del suelo o apoyo. Por otro lado el asentamiento de la estructura se debe a la relación esfuerzo-deformación del suelo o roca, lo cual pone en riesgo la funcionalidad de la estructura. Por otra parte, los análisis geotécnicos se realizan en condiciones de incertidumbre, las cuales son causadas principalmente por dos factores: 1)
, en la forma estable y con asentamientos tolerables durante su vida útil.
Las normas sobre la construcción de edificios en la Ciudad de México, han evolucionado notablemente desde la década de los cuarenta, por varias razones: 1) el incremento de la población, principal causante del desarrollo vertical de la ciudad. 2) los avances en la mecánica de suelos y su aplicación en el diseño de cimentaciones y 3) los sismos y los estudios sobre sus efectos en las construcciones.
Las cimentaciones pueden ser clasificadas de acuerdo a diferentes criterios, los cuales serán útiles si permiten identificar con precisión los elementos que transmitirán las cargas al suelo, así como el mecanismo de falla del suelo de cimentación, para la aplicación del método de cálculo adecuado.
1.2.- FACTOR DE SEGURIDAD EN CIMENTACIONES Consideraciones en la Práctica de la Ingeniería Civil
Cualquiera de los elementos que conforman una cimentación puede fallar, debido a que el suelo o roca no pueden soportar la carga. Pero en otras ocasiones sucede lo contrario, es decir, no pueden fallar, aunque el asentamiento de la estructura puede ser considerable, y que la estructura no cumpla su función estructural.
La estratigrafía del sitio y 2) las solicitaciones a las que será sometido el suelo o roca, es por ello que se emplean en la práctica profesional factores de seguridad que permiten confrontar a estas condiciones a veces desfavorables1
1 Jaime Montoya, 2008.
.
Es indispensable evaluar con precisión las cargas que se transmitirán al subsuelo, realizar un estudio detallado de mecánica de suelos y escoger el procedimiento constructivo, que técnica y económicamente sea el más viable.
Para el diseño de la cimentación de cualquier construcción, es necesario evaluar las fuerzas o solicitaciones, las cuales son: acciones permanentes (incluyendo el peso propio), a las que se ve sometido el suelo a las cuales hay que añadir las cargas dinámicas o acciones accidentales (incluyendo sismos y viento) y acciones variables (incluyendo la carga viva) y a las que se encontrará sometida.
7
TIPO DE
CIMENTACION PROFUNDAS SOMERAS
PILOTES PILAS
CAJO NES
LOSAS
ZAPAT AS
RESISTENCIA COMPRESI-
BILIDAD
MUY BAJA MUY ALTA
BAJA
ALTA
MEDIA
MEDIA ALTA
BAJA MUY ALTA MUY BAJA SUELO
PEQUEÑAMEDIAGRANDE
MAGNITUD DE LA CARGA
ESTRUCTURA
El estudio del suelo en el que se apoyará una estructura es prioritario, ya que su resistencia y comportamiento ante cargas externas definirán el tipo de cimentación adecuado, que garantizará la estabilidad del sistema.
El estudio de mecánica de suelos permitirá determinar la configuración y composición de los diferentes estratos, las propiedades índice y las propiedades mecánicas e hidráulicas del subsuelo. Esta información servirá de base para la correcta selección de los estratos de apoyo y de los elementos que transmitirán las cargas al subsuelo.
El diseño en geotecnia se realiza aplicando un factor de seguridad (FS) específico, bajo condiciones de carga y resistencias establecidas. El FS surge de la experiencia a lo largo de muchos años, se aplica un FS dependiendo del diseño (zapata, talud o muro de contención), o de cualquier otra estructura, por otro lado la aplicación de un FS permite que la probabilidad de fallar sea mínima.
En el siguiente esquema se representa una clasificación propuesta por Tamez de los diferentes tipos de cimentaciones, tanto someras, y profundas. Esta clasificación está en base a las propiedades mecánicas del suelo, de acuerdo a la resistencia, el grado de compresibilidad, tipo de estructura, la magnitud de la carga, y todo esto con la finalidad de seleccionar el tipo de solución de cimentación más adecuada para una estructura determinada.
Figura.- Selección del tipo de cimentación (Según E. Tamez) 1.3.-CIMENTACIONES SUPERFICIALES
Al ser elegido un tipo de cimentación, es necesario definir el procedimiento constructivo que se aplicará considerando los recursos existentes, con el propósito de que su construcción sea viable, respetando las especificaciones geotécnicas y estructurales, considerando también que la solución sea económicamente aceptable y conduzca a tiempos de ejecución reales y convenientes, preservando constantemente la calidad de los elementos de cimentación.
8
ZAPATA DADO Ó
COLUMNA
DADO Ó COLUMNA
ZAPATA N.T.N.
PLANTILLA
ELEVACIÓN
ZAPATAS AISLADAS (PLANTA)
COLUMNA
CONTRATRABE
ZAPATA
N.T.N.
COLUMNA
CONTRATRABE
PLANTILLA ZAPATA
ELEVACIÓN
Son aquéllas que se construyen sobre estratos resistentes superficiales, donde por lo general no se requiere de maquinaria pesada ni procedimientos constructivos especiales y su diseño no acepta esfuerzos de tensión. Las cimentaciones superficiales más comunes son las zapatas aisladas, las zapatas corridas y las losas.
9
ZAPATAS CORRIDAS (PLANTA)
COLUMNA
DADO O ABACO
N.T.N.
LOSA
CONTRATRABE PLANTILLA
LOSA DE CIMENTACION CON CONTRATRABES INVERTIDAS
COLUMNA
N.T.N.
LOSA
LOSA DE CIMENTACION LOSA PLANA
COLUMNA
PLANTILLA DADO O ABACO
N.T.N.
LOSA
LOSA DE CIMENTACION LOSA PLANA
COLUMNA
PLANTILLA DADO O ABACO
N.T.N.
LOSA
LOSA DE CIMENTACION LOSA PLANA
COLUMNA
PLANTILLA DADO O ABACO
“Las zapatas y losas de cimentación se utilizan cuando las capas superficiales son resistentes y de baja compresibilidad para las cargas que la estructura le transmitirán.
Varios autores han propuesto ecuaciones para calcular la capacidad de carga de cimientos superficiales. Para cimentaciones someras desplantadas en suelos sensiblemente uniformes se debe verificar el cumplimiento de los estados límite de falla y de servicio, para las distintas combinaciones posibles de acciones verticales.
Ecuación de capacidad de carga de Terzaghi
Es la teoría más usada para el cálculo de la capacidad de carga de cimientos poco profundos y propuso la siguiente ecuación:
10 qult = FcNc+ƔDfNq+RƔBNƔ
donde c= cohesión; q = sobrecarga alrededor del cimiento; Nc,Nq,NƔ
Para zapatas corridas F=1 y R=0.5; para cimientos cuadrados F= 1.3 y R=0.4; en cimientos circulares F=1.3 y R=0.6.
=Factores de carga, en función del ángulo de fricción interna ɸ.
Ecuación de carga de Meyerhof
Meyerhof propone una ecuación para determinar la capacidad de carga similar a la de Terzaghi solo que incluye factores de profundidad y otros de inclinación i. También determina sus factores de carga a base de su modelo de falla.
qult = cNcdcic+qNqdqiq+0.5ƔBNƔdƔiƔ
Ecuación de capacidad de carga de Hansen
La ecuación de Hansen se aplica para cualquier relación de profundidad de desplante a ancho del cimiento D/B, por lo que puede ser utilizada para cimentaciones superficiales (losas y zapatas) y profundas (cajones y pilotes).
qult = cNcscdc+qNqsqdqiqgqbq-0.5ƔBNƔsƔdƔiƔgƔbƔ Cuando ɸ = 0, se usa
qult = 5.14su(1+sc+dc-ic-bc-gc)+q donde: Nc,Nq,NƔ,
La ecuación de Terzaghi, es ampliamente utilizada al igual que la de Meyerhof y Hansen.
son factores de carga de Hansen, s= Factor de forma del cimiento, d = profundidad de desplante, g = inclinación del terreno; b = factores de base inclinada; i = factores de inclinación de la carga.
Asentamientos inmediatos
El método más empleado es el de Steinbrenner (1934), en este, el asentamiento en la esquina de una base rectangular de dimensiones B´x L´ se calcula con la ecuación:
ΔH =
Hipótesis de distribución de esfuerzos según Boussinesq, Westergaard y Frölich Boussinesq dice que el suelo es un medio homogéneo e isótropo.
Westergaard, dice que el suelo es un medio semi-infinito en el que el desplazamiento horizontal es nulo, lo cual sucede en suelos fuertemente estratificados.
Frölich dice en su teoría que el módulo de elasticidad varía. E = Eozx-3 Eo = modulo de profundidad unitaria.
1.4.- CONSIDERACIONES EN EL RCDF Y SUS NTC.
El RCDF y las NTC enfocan el Factor de Seguridad a partir de la definición de los estados límites de falla y de servicio. Al comportamiento en el que una cimentación o parte de ella
11 deja de cumplir con alguna función para la cual fue diseñada, se le conoce como Estado límite.
En el diseño de toda cimentación el RCDF considera los siguientes estados límites:
Estado límite de falla y de servicio. El primero corresponde al agotamiento total de la capacidad de carga de la cimentación o puede ser que tenga daños irreversibles que afecten su resistencia ante diversas acciones tales como:
Flotación, Flujo plástico local, falla estructural de pilotes, pilas u otro elemento de cimentación.
Estado límite de servicio, se alcanza cuando la cimentación llega a estados que afectan su funcionamiento pero sin afectar su capacidad de soportar cargas. Se dividen en:
-Movimiento vertical medio, asentamiento de la cimentación.
-Inclinación media de la construcción.
-Deformación diferencial de la propia estructura y sus vecinas.
En ambos casos el RCDF indica los factores de carga y de reducción que se deben emplear en el diseño. Los factores de reducción se aplican en los parámetros del suelo y los de carga en las solicitaciones.
1.4.1.- Estados limite de falla
Para cimentaciones desplantadas en suelos cohesivos:
Para cimentaciones desplantadas en suelos friccionantes:
Donde: = suma de las acciones verticales, A = Área del cimiento, = Presión vertical total a la profundidad de desplante por peso propio del suelo = presión vertical efectiva a la misa profundidad; = peso volumétrico del suelo, = cohesión no consolidado no drenado (UU), B = ancho de la cimentación; = Factor de resistencia = 0.35 para cimientos superficiales. son los coeficientes de capacidad de carga que se calculan de acuerdo a las NTC.
El coeficiente se multiplicará por 1 -0.4(B/L), para cimientos rectangulares y por 0.6 para cimientos circulares o cuadrados.
1.4.2.- Estados limites de servicio
Los asentamientos instantáneos de las cimentaciones bajo solicitaciones estáticas se calcularán en primera aproximación, usando los resultados de la teoría de la elasticidad, a partir de la experiencia local o de pruebas directas e indirectas.
1.5.- CIMENTACIONES PROFUNDAS
Son aquéllas que alcanzan estratos profundos que tengan la capacidad de soportar las cargas adicionales que se aplican al subsuelo, utilizándose generalmente procedimientos constructivos y equipos especiales.
PILAS 12
PILA PILA
CILINDRO
N.T.N. N.T.N.
CAJÓN
N.T.N.
Se entiende por cimentaciones compensadas aquellas en las que se busca reducir el incremento neto de carga aplicado al subsuelo mediante una excavación en donde se aloja un cajón de cimentación. Si la transmisión de carga neta al subsuelo en el desplante del cajón resulta positiva, nula o negativa, la cimentación se denomina parcialmente compensada, compensada o sobrecompensada, respectivamente.
Con el propósito de evitar que la estructura experimente asentamientos excesivos, es común que las cimentaciones parcialmente compensadas se combinen con pilotes de fricción.
Los pilotes son miembros estructurales, que se utilizan para transmitir cargas superficiales a niveles inferiores de la masa de suelo. Esta transferencia puede ser por la distribución vertical de la carga a lo largo del fuste del pilote (pilote de fricción). O una aplicación directa de la carga un estrato inferior por medio de la punta del pilote (pilote de punta).
Dadas las condiciones adversas, que presentan los suelos blandos, implica desarrollar procesos constructivos complejos, es decir, implementar procedimientos más sofisticados y detallados. Un ejemplo claro de ello, es la construcción de cajones de cimentación, ya que para su ejecución se requiere de una excavación profunda, lo cual implica grandes costos, tiempo de construcción y control de calidad de todo el proceso de excavación*.
13
CIMENTACIÓN MIXTA
N.T.N.
1.5.1.- Pilotes de fricción El uso de pilotes de fricción2
(1) Los pilotes solo reducen los asentamientos diferenciales del suelo y la losa o cajón de cimentación, toma toda la capacidad de carga en condiciones estáticas y dinámicas.
, condiciona un diseño detallado, en función de los siguientes criterios de la norma local, GDF (a y b; 2004).
(2) Los pilotes se diseñan para soportar la capacidad de carga en condiciones estáticas y dinámicas, y la losa se considera como un elemento que rigidiza o distribuye la carga, ya que la losa pierde contacto con el suelo por efecto del hundimiento regional.
La capacidad de carga última de un pilote de fricción se puede estimar con la expresión:
Donde: = factor de corrección que depende de la resistencia no drenada del suelo (Tomlinson, 1977) = resistencia no drenada del suelo, correspondiente al estrato i; = espesor del estrato i; 4B = Perímetro del pilote, = factor de capacidad de carga por punta, = resistencia al corte no drenada del suelo en la base del pilote; = peso volumétrico de la arcilla; D = longitud efectiva del pilote; = Área de la base del pilote El factor de capacidad de carga se puede considerar igual a 9 siempre y cuando el pilote sea hundido al menos cinco diámetros dentro del estrato de carga.
Los pilotes, respecto al procedimiento constructivo pueden clasificarse en precolados (hincados a vibropercusión, percusión o presión estática), y colados in situ. De acuerdo con la experiencia, los pilotes hincados tienen un comportamiento diferente al de los colados in situ Tomlinson, 1986.
1.5.2.- Asentamientos de grupo de pilotes en arcillas.
La acción de los pilotes es de transferir la carga a algún estrato inferior, varios métodos se han propuesto para incluir esta transferencia de carga en los cálculos de asentamientos.
2 Jaime et al., (1990)
14 Así para calcular los esfuerzos en el suelo provocados por el campo de pilotes se ha propuesto lo siguiente:
1.-Una losa equivalente con carga uniforme a 2/3 de la longitud del pilote sobre el área delimitada por los pilotes a esa profundidad.
2.-Una losa equivalente con carga uniforme a 2/3 de la longitud del pilote sobre un área mayor, debido a la fricción lateral en el grupo de pilotes. Una extensión de una horizontal a cuatro vertical puede ser razonable.
3.- Una losa equivalente con carga uniforme en la base de los pilotes sobre el área delimitada por los pilotes a esa profundidad.
4.- Una losa equivalente con carga uniforme en la base de los pilotes sobre un área mayor.
Las hipótesis 1 y 2 se utilizan para pilotes hincados y las hipótesis 3 y 4 para pilotes perforados.
1.5.3.- Pruebas de carga en pilotes
Estas pruebas se llevan a cabo para determinar el asentamiento bajo la carga de trabajo, para determinar la capacidad de carga última, se pueden realizar dos tipos de pruebas de carga en los pilotes. Estas son: la prueba de carga sostenida (ML), en la que la carga se aplica en incrementos y la prueba de rango constante de penetración (CRP), Simmons y Manzies, 1978, y Tomlinson, 1986.
1.6.- CONSIDERACIONES EN EL RCDF Y SUS NTC 1.6.1.- Cimentaciones con pilotes de fricción
De acuerdo con el tipo de diseño adoptado, la revisión de los estados límite de falla, podrá consistir en verificar que resulta suficiente para asegurar la estabilidad de la construcción alguna de las capacidades de carga siguientes:
1.- Capacidad de carga del sistema suelo-zapata o suelo-losa de cimentación.
Despreciando la capacidad de los pilotes.
2.- Capacidad de carga del sistema suelo-pilotes de fricción.
La capacidad de carga por adherencia lateral de un pilote de fricción individual bajo esfuerzos de compresión, Cf, se calcula como:
Cf = ALfF Donde A
R
L = es el área lateral del pilote, f = es la adherencia lateral media pilote suelo, y FR
=se tomará igual a 0.7, salvo para pilotes con perforación previa.
Los asentamientos o emersiones de cimentaciones con pilotes de fricción bajo cargas estáticas se estimarán considerando la penetración de los mismos y las deformaciones del suelo que los soporta, así como la fricción negativa y la interacción con el hundimiento regional.1
15
PILOTES
CAJÓN
N.T.N.
CAPITULO 2 CELDA ESTRUCTURADA 2.1.-DEFINICIÓN DE CELDA ESTRUCTURADA
La celda estructurada es una solución de cimentación recientemente implementada en la Ciudad de México.
Un cajón estructurado o celda estructurada de cimentación, está compuesta por muros perimetrales de concreto reforzado (e intermedios si se requieren por las dimensiones en planta de la cimentación) tipo “milan” (muros pantalla), ligados estructuralmente a una losa tapa, pero no tiene losa de fondo.
El “vaso invertido” como coloquialmente se le conoce a la celda estructurada, contempla un sistema losa-muros y el suelo confinado. Por lo cual, una celda estructurada puede considerarse como una pila equivalente, cuya superficie de fricción corresponde con el perímetro exterior de los muros en toda su longitud y la punta con el área transversal de la celda, y de ésta forma se controlan los asentamientos diferenciales del suelo.
Los muros que confinan al suelo, tienen la función de controlar los asentamientos diferenciales que se pudiesen presentar en el suelo que lo rodea, mientras que la losa tapa, funciona como un elemento que rigidiza la estructura, permitiendo que el sistema losa-muros funcione como un solo elemento, como una pila equivalente.
Dicho lo anterior puede decirse que la celda es una solución de cimentación mixta, ya que para determinar su capacidad de carga ultima se considera en primera instancia como una cimentación profunda ya que los muros que confinan al terreno funciona como un pilote equivalente y la losa tapa que se liga a estos muros funciona como una cimentación superficial que se liga a su vez con la columna.
El peso del sistema incluye, el peso de los muros, del relleno de confinamiento de la columna y del suelo contenido en el interior del cajón.
Para determinar numéricamente la capacidad de carga del “vaso invertido” se toma la capacidad por punta (Qpu), mas la capacidad por fuste (Qfu), menos el peso propio (Pp) del sistema, más adelante se detallará el cálculo de la capacidad de carga de la celda estructurada.
El procedimiento para determinar la capacidad de carga ó resistencia última de la celda estructurada es la siguiente:
Se calculan los empujes horizontales que se generan a lo largo de los muros perimetrales que confinan al suelo, dichos empujes se calculan basados en la teoría de Ranking.
Una vez calculados los empujes, haber graficado los resultados y observado el comportamiento que registra el suelo, se procede a calcular la capacidad de carga de la losa tapa por medio de la teoría de capacidad de carga de Terzaghi, considerando este elemento como cimentación superficial.
16
suelo confinado
suelo compresible
columna
losa tapa
suelo resistente o roca Qfu Qfu
Q
5.5m
5.0m
2.0m
Qp Pp
3.0m
1.5m
3.0m
2.0m
3.0m ESTRATO A
ESTRATO B
ESTRATO C
ESTRATO D
ESTRATO E
ESTRATO F
ESTRATO G
CAPA SUPERFICIAL DESECADA
N.A.F.
Su = 46.2 Kpa
? = 13 KN/m3
3.0 m
5.5m
10.5m
12.5m
15.5m
17.0m
20.0m
22.0m
25.0m 0.00m
Su = 35 Kpa
? = 12.4 KN/m3
Su = 52 Kpa
? = 17 KN/m3
Su = 41 Kpa
? = 11.5 KN/m3
Su = 44.7 Kpa
? = 11.8 KN/m3
Su = 44.7 Kpa
? = 11.9 KN/m3
Su = ND
? = 16 KN/m3
Su = ND
? = 14 KN/m3 arcilla blanda
arcilla blanda
arcilla blanda limo-arenoso Celda estructurada
Qfu
N.T.N.
Resistencia ultima por punta
Resistencia ultima por fuste
Peso propio Carga puntual vertical
La capacidad de carga de la celda estructurada se obtiene de la suma de la resistencia última de la losa tapa y de la resistencia por fuste de los muros perimetrales, pero sin tomar en cuenta el peso propio de la celda.
Figura 1.- Esquema idealizado de una solución de cimentación con pilotes y de una celda estructurada (vaso invertido).
.
17
PILAS
PILA PILA
CILINDRO
N.T.N. N.T.N.
2.2.-VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UNA CELDA ESTRUCTURADA
Esta cimentación presenta, a priori, algunas ventajas desde el punto de vista constructivo.
(1) Los muros de concreto reforzado perimetrales pueden construirse en sitio con el mismo procedimiento constructivo que se utiliza para muros Milán.
También pueden colocarse tableros prefabricados3
(1) No se requiere una excavación profunda, como en el caso de un cajón.
, Después se procede a la construcción de la losa tapa, la cual se realiza de manera monolítica.
El procedimiento constructivo tiene tres ventajas:
(2) Rapidez en la construcción
(3) La losa tapa funciona como un elemento que rigidiza el sistema losa-muros y distribuye la capacidad de carga.
3 Rioboo (2004) Y Rioboo y Romo (2004)
18 2.3.-CELDAS ESTRUCTURADAS CON MUROS INTERMEDIOS
Los muros intermedios aumentan la rigidez de una celda estructurada y provocan que el suelo confinado en ella, se deforme menos, en comparación con una celda sin muros perimetrales.
Es complicado adicionar muros intermedios en celdas circulares, es más factible por geometría adicionarlos en celdas cuadradas o rectangulares.
2.4.- PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DE LA CELDA ESTRUCTURADA
1.-Confinamiento vial
-Colocación de señalamiento -Confinamiento de zona de obra -Trazo de la excavación
-Corte de asfalto y concreto
19 2 Excavación
-Excavación con extracción de material para hincar los muros perimetrales
-Estabilización de paredes de excavación mediante lodo bentonítico.
3.- Muros tipo Milán “muros pantalla” (Slurry walls) -Preparación de muros en zona de obra
-Habilitado y armado de acero de refuerzo
-Colocación de armado (izaje e hincado en brocales “zanjas”) -Colado (suministro mediante tubería tipo Tremie)
-Extracción de lodo bentonítico.
Hincado de los muros
Las dimensiones de la zanja son 12.5 metros de profundidad, cada franja de la excavación tiene un ancho de 0.60 m, con alerones de 0.80 m de ancho y 1.40 m de profundidad por cada lado de la excavación, con un revestimiento de concreto pobre de 100 kg/cm2.
La limpieza de la zanja o excavación se hizo mediante una almeja hidráulica LIEBER 853, con un equipo especial KS-3000, el cual es guiado y calibrado con precisión, se puede fijar con exactitud y con él se extrae todo el material que está en el interior de la zanja, hasta llegar a la profundidad donde se va desplantar el muro, que en este caso es a 12.00 m.
El material que se extrae de la excavación se va depositando en camiones ó volteos para su pronto retiro y traslado a otro lugar donde no obstaculice las maniobras de la construcción.
Para estabilizar las paredes de la excavación, se utiliza un lodo bentonítico, el cual se reutiliza en repetidas ocasiones para los demás brocales con la ayuda de plantas tratadoras, que se tienen en la obra.
Una vez terminadas las zanjas, se procede a hincar los muros perimetrales, que conforman la celda estructurada, su procedimiento constructivo es similar al de los muros tipo Milán, el cual se describe a continuación: La excavación de los brocales en los que se hincan los muros tipo Milán se llevaron a cabo mediante almejas hidráulicas (ver figura), con control de la vertical para reducir las desviaciones
El armado de los muros se basó en elementos de 6 m de ancho, con una altura variable desde 12 hasta 15 metros según la profundidad marcada en proyecto de cada uno de los apoyos y un solo armado por panel. El tipo de concreto del muro es de alta resistencia, debido a que el armado estructural se cuela bajo ciertas características del suelo, esto obligó a que el concreto fuera autocompactable y con un tiempo de espera suficiente para evitar el fraguado ya que se colocó con tubería Tremie. El lodo bentonítico que se utilizó fue para estabilizar las paredes de la excavación y así evitar derrumbes en la misma, por lo cual, se adecuó a las condiciones locales considerando las propiedades estratigráficas del suelo encontradas en este tramo.
20 4.- Descabece de muros perimetrales.
-Excavación para alojar cimentación -Descabece de muros
-Armado y colado de plantilla 5.- Columnas
-Fabricación de prefabricados -Montaje de zapatas-columnas -Alineación y nivelación
-Conexión zapata-columna
-Relleno con concreto fluido y tepetate 6.- Trabes
-Fabricación de prefabricados -Montaje de trabes
-Conexión trabe-columna 7.- tabletas
-Fabricación de prefabricados -Montaje de tabletas prefabricadas -Conexión tabletas con trabes 8.- Firme de compresión
-Armado y colado de firme de compresión -Colocación de vías, durmientes.
En resumen el procedimiento constructivo de la celda estructurada es el siguiente:
Se realiza la excavación de las zanjas y se estabilizan con lodo bentonitico, posteriormente se hinca el armado estructural de los muros tipo “Milán”, muros pantalla (slurry walls), se procede a suministrar concreto mediante tubería tipo Tremie, conforme se va colando el armado, se extrae simultáneamente el lodo bentonitico, hasta colar completamente el muro, una vez hecho esto, se cuela el armado estructural de la losa tapa, que se liga estructuralmente con los muros y un elemento prefabricado columna-zapata.
21 A continuación se describen las etapas en las cuales se desarrolla el armado estructural de los muros perimetrales que conforman la celda estructurada (vaso invertido).
ETAPA PREVIA
En esta etapa se lleva a cabo la construcción de la pieza frontera de colado de muro, habilitado de armado en “C”, de la celda estructurada, se procede a la fabricación de la estructura auxiliar de izaje del armado y habilitado de escantillón para introducción de pieza frontera.
PRIMERA ETAPA
Localización, trazo y construcción de brocales (trincheras).
La excavación de las zanjas en los que se hincan los muros tipo Milán se llevaron a cabo mediante almejas hidráulicas (ver figura), con control de la vertical para reducir las desviaciones.
22 SEGUNDA ETAPA
Excavación de primer módulo de celda estructurada, estabilizándola con lodo bentonítico, cuando fue necesario se excavó primeramente los tramos de las piezas fronteras de colado y se introdujeron y después se continúo con la excavación.
TERCERA ETAPA
Colocación de accesorio de protección de refuerzo frontera, instalación de escantillones guía, hincado de pieza frontera hasta 60 cm por debajo del N.D.C.E. (Nivel de Desplante de Cajón Estructurado).
23 CUARTA ETAPA
Izaje e introducción de refuerzo en “C” (MÓDULO 1) DE CELDA ESTRUCTURADA por medio de la armadura de auxiliar de izaje y en dado caso, en la introducción del armado de un tablero de rigidez (según lo requiera la grúa).
Introducir y posicionar el armado de muro (utilizar estructura auxiliar para evitar que se deforme y dañe el armado).
QUINTA ETAPA
Colado de modulo 1 hasta el N.T.C.C.E., (Nivel de Tope de colocado de celda estructurada), extracción de lodo bentonítico.
24 SEXTA ETAPA
Excavación del módulo 2 estabilizando con lodo bentonítico y retiro de accesorios de protección de refuerzo de la pieza frontera.
SEPTIMA ETAPA
Izaje e introducción de refuerzo en “C” (Módulo 2) de celda estructurada por medio de la armadura de auxiliar de izaje y en dado caso, en la introducción del armado de un tablero de rigidez (según lo requiera la grúa).
25 OCTAVA ETAPA
Colado de módulo 2 hasta N.T.C.C.E. y extracción de lodo bentonítico.
NOVENA ETAPA
Excavación para alojar elemento prefabricado zapata-columna, descabezar muro de celda estructurada y piezas frontera.
DECIMA ETAPA
Armado y colado de plantilla.
26 ONCEAVA ETAPA
Montaje de elemento columna-zapata sobre plantilla, apoyándola sobre el tornillo nivelador y logrando su verticalidad (plomeo) por medio de los cuatro pernos perimetrales, cimbrado perimetral bajo zapata y colado para estabilizar elemento.
DOCEAVA ETAPA
Retiro de cimbra perimetral bajo zapata, armado de segunda etapa de zapata para conectar zapata prefabricada con muro de celda estructural y colado de segunda etapa de zapata.
Etapas constructivas de muros perimetrales4.
4 Información obtenida del plano con título: PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DE CELDA ESTRUCTURAL TRAMO: CALLE 11- SANTA MARIA TOMATLÁN DEL KM = 14+194.726 AL KM = 14+578.726 con clave y número: PMDF-10-EST-612185-III-0031-41831-P- 00, propiedad de consorcio línea 12, proyecto metro del Distrito Federal.
27 CROQUIS DE LOCALIZACIÓN
LÍNEA 12
TLÁHUAC TALLERES TLÁHUAC
TLALTENCO ZAPOTITLAN
NOPALERA LOS OLIVOS SAN LORENZO
PERIFÉRICO ORIENTE CALLE 11
STA. MA. TOMATLÁN
SAN ANDRÉS TOMATLÁN PUEBLO CULHUACÁN
TEZONCO
CAPITULO 3 COMPARACIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE UNA CELDA ESTRUCTURADA
En el presente capítulo se abordará una comparación de dos metodologías de diseño para una celda estructurada.
En la primera metodología, se considera al cajón estructurado como una cimentación mixta, debido a que en la hipótesis de diseño, el proceso de cálculo se contempla el sistema como una cimentación profunda (pilote), una cimentación superficial y un muro de retención.
las condiciones geotécnicas donde se desarrolla el proyecto así como el análisis de estabilidad y deformaciones del sistema de cimentación propuesto. En ello se ha considerado la información derivada de los trabajos de exploración y laboratorio ejecutados por la empresa Colinas de Buen (tabla 1), la reinterpretación de estos datos se consigna en la tabla 2.
La metodología empleada en los análisis corresponde con los criterios comúnmente aceptados en la práctica profesional y fue aplicado en la estación/tramo: Calle 11- Santa María Tomatlán, de la línea 12 de la C.D. de México.
28
1.2
6.5 6.5
5
10 0
p r o f u n d i d a d (m)
ntn
15
3.1.- MARCO DE REFERENCIA
El análisis del sistema de cimentación se realiza para los apoyos de los cadenamientos 14+194.726 al 14+314.728 y corresponden a las condiciones geotécnicas del tramo P.
Tabla 1. Propiedades reportadas en la información proporcionada
Para el tramo en estudio se reporta una velocidad de hundimiento regional en el orden 5
la celda estructurada de la celda
de 2 cm/año.
Las características del subsuelo y su ubicación corresponden con la zona geotécnica III (ZG-RCDF), con aceleraciones espectrales máximas de C=0.40.
En el presente documento se exponen las condiciones y propiedades estratigráficas que caracterizan al tramo, así como los análisis ante condiciones de carga permanente, carga accidental y deformaciones, para la geometría mostrada en la figura 1.
Figura 1. Planta y corte de Figura 2. Estratigrafía del suelo
5Información geotécnica, base de análisis, fue obtenida del plano DGPM-09-MS-612000-II-01-0000-P-00, propiedad del proyecto Línea 12 del STC metro de la C.D. de México.
SUCS W e γ E33 Cu φu av mv ν N qc
de a % (-) (t/m) (Kg/cm2) (Kg/cm2) (°) (cm2/Kg) (cm2/Kg) (coeficiente de
poisson) Golpes (Kg/cm2)
0.00 1.50 ML-CL 24 3.14 1.49 89.67 0.28 23.00 - - - 3.00
1.50 5.30 MH 58 1.48 1.55 39.15 0.41 9.00 0.124 0.050 0.318 8.00
5.30 10.30 CH 145 3.69 1.27 42.50 0.32 8.50 0.152 0.040 0.314 32.00
10.30 11.80 SP 58 1.51 1.68 29.00 0.54 6.40 - - 30.00
11.80 15.70 CH 138 3.08 1.33 39.79 0.41 7.74 0.130 0.030 0.31 1.00 10.00
15.70 16.50 MH 115 2.10 1.37 38.00 0.35 10.00 0.200 0.065 0.328 1.00 34.00
16.50 23.00 CH 290 7.04 1.12 48.96 0.24 12.50 0.490 0.068 0.33 1.00 16.00
23.00 33.00 MH 28 0.90 1.84 80.00 1.00 30.00 0.125 0.066 0.328 49.00 20.00
Prof. (m)
29 En la segunda metodología se aborda la hipótesis de diseño propuesta por Sergio Martínez, 2011, artículo dado a conocer en la XVI Reunión Nacional de mecánica de suelos e ingeniería geotécnica SMIG.
El método de análisis que se propone considera que la resistencia última a la compresión vertical se calcula con:
qu= qp + qae + qaa + q0 (3.1) Donde:
qp
q
= resistencia a la penetración de la celda
ae
q
=resistencia por adherencia lateral de las caras externas de los muros perimetrales.
aa
q
=resistencia por adherencia lateral de las caras internas de los muros perimetrales.
0 = resistencia vertical a la profundidad de desplante (D) de la cimentación 3.2.-RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN
Antecedentes
El objetivo principal del análisis de esfuerzos en una estructura geotécnica es asegurar que tenga un factor se seguridad adecuado contra colapso, que cumpla con los requerimientos para los estados limites de servicio y de falla, para lo cual fue diseñada.
En general, estos problemas se dividen en 2 grupos.
Los de estabilidad y los de deformabilidad, que a su vez abarcan compresibilidad y distorsión.
Los problemas de estabilidad y deformabilidad requieren conocer los esfuerzos en la masa del suelo bajo las cargas de trabajo que no inducen falla plástica ni entorpecen el servicio de la estructura.
La característica más importante de los problemas de estabilidad es determinar la carga en la cual la masa de suelo falla plásticamente.
En suelos con comportamiento, elasto-plástico, se requiere ubicar las zonas donde los esfuerzos han alcanzado la resistencia del suelo para determinar la superficie de falla plástica; existen varios métodos para ello.
El método de equilibrio limite El método de análisis limite
La combinación de los métodos de análisis numérico y de análisis límite.
El método de análisis que se propone es el resultado de la combinación de los métodos de análisis numérico y de análisis límite, para determinar la capacidad de carga de las celdas estructuradas.
La resistencia a la penetración de la celda (qp) considera el efecto combinado de la penetración de los muros perimetrales, la rigidez infinita de la losa y la deformación del suelo confinado por la celda, se calcula con.
30 qp = cpNcFfFp
Donde: c
(3.2)
p
N
= cohesión del suelo de desplante de los muros de la celda
c = Factor cohesivo de capacidad de carga, = 5.14, Ff = Factor de forma en planta de la celda Fp = Factor por profundidad de desplante de la celda.
3.3.- MARCO DE REFERENCIA
La ecuación de capacidad última (qu) ante carga vertical de compresión de cimentaciones rígidas desplantadas en una masa de suelo puramente cohesivo es:
qu = cNcFfFp +q0 (3.3)
donde c = cohesión y las demás variables ya se definieron con anterioridad.
La ecuación 3 se fundamenta en la relación propuesta por Terzaghi (1943). Modificaciones a esta ecuación, realizadas por Meyerhof (1951), Hansen (1970), Vesic (1973), Salgado et al. (2004) y Gouvernec et al. (2006), consideran una magnitud diferente de Nc (solución de Prandtl), y proponen diferentes relaciones para Ff y Fp. Ver la tabla 1.
La variación de los factores de forma y de profundidad (incluidos en la tabla 1) se muestran en las figuras 2 y 3 en función de la geometría de la zapata.
Donde B = ancho, L es el largo y D la profundidad de desplante.
En la figura 2 se observa que para una zapata larga (B/L=0), el factor Ff = 1 y cuando la zapata es cuadrada (B/L=1), el factor Ff varía entre 1.12 y 1.20. Por otro lado, la figura 3 muestra que el factor Fp
N
siempre aumenta con la profundidad.
Reduciendo el número de parámetros, para acotar la cantidad de análisis se definió el parámetro Nc, que agrupa los tres factores de la ecuación 3.2:
c=NcFfF
La tabla 2 muestra las soluciones de carga de colapso de zapatas desplantadas superficialmente en suelo puramente cohesivo calculadas con análisis numérico, análisis límite. Para desplante superficial q
p
0=0 y Fp =1, de acuerdo con las ecuaciones. 3.3 y 3.4 la solución se reduce a:
Nc= qp /c = NcFf
En la tabla 2 se incluyen los valores de los factores N*
(3.5)
c y Ff, y estos se dividen en los casos (zapata larga) y tridimensionales (zapatas cuadrada y circular), La solución bidimensional es exacta, en la cual coinciden las soluciones de los limites inferior y superior de la teoría de la plasticidad, la magnitud del factor N*c = Nc= 2+π = 5.14, además esta solución bi-dimensional aplica a superficies de contacto liso o rugoso6
6Gouvernec et al.,(2006)
.figura 2 y figura 3
31
0.00 10.0 20.0
0 10 20 30 40 50
q (Kpa)
dmax/ B (%) 5.00
15.0 25.0
Elástico
Elastoplástico plástico
Ablandamiento plástico endurecimiento plástico
FIGURA 4.- CRITERO DE FALLA PLASTICA
Por otra parte con fines de comparación de los resultados de este estudio, la fuerza resistente última a la penetración de la punta, Fup
F
, de pilotes desplantados en suelo puramente cohesivo se realiza con la siguiente expresión:
UP = AC cN*c
Donde
(6)
: AC= Área de sección del pilote y las demás variables ya fueron definidas.
En esta ecuación no se considera el aporte de resistencia que genera el peso del suelo de empotramiento, ni la resistencia desarrollada en el fuste del pilote.
De acuerdo con la ecuación 4 y los factores de forma y profundidad mostrados en la tabla 1, para condiciones no drenadas, el factor N*c de los pilotes cambia, aunque su magnitud depende principalmente del factor de profundidad (Fp).
3.4.- DEFINICIÓN DE LA CARGA LIMITE (COLAPSO)
Mediante análisis numérico por etapas se incrementa el desplazamiento vertical de compresión aplicado uniformemente en el área en planta de la cimentación, hasta que la masa del suelo llega a su falla plástica. Los desplazamientos uniformes en el área de la cimentación modelan una rigidez vertical infinita de la losa. En cada incremento de desplazamiento se calcula la carga vertical de compresión en el suelo.
Criterio de falla plástica
En la curva presión externa (q) vs asentamiento máximo entre semi-ancho de la losa (2σmax/B), se revisa que se dé la condición de falla plástica (colapso) de acuerdo con lo indicado en la figura 4. Para el estado de esfuerzos que corresponde al punto de colapso, se revisa que la velocidad de desplazamiento forme una especie de falla plástica cinemáticamente admisible (criterio de límite superior de la teoría de la plasticidad) y se compara y valida con la superficie de falla mostrada en la figura 5.
Figuras 4 y 5
