Calculo de Pilotes

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CAPITULO 3

DISEÑO Y PROCESOS CONSTRUCTIVOS

3.1 DISEÑO TIPO DE PILOTES

Para el diseño tipo de pilotes, se ha basado la investigación en los resultados de laboratorio proporcionados por ICIA S.A. de C.V. (Anexo N-2), encontrándose como la zona 1, ubicada en El Centro de Gobierno, como la que reúne las condiciones más desfavorables y en consecuencia el uso de pilotaje para la construcción de un edificio de cuatro o más niveles. Al mismo tiempo se realizarán dos diseños adicionales, los cuales se realizarán en la zonas 2 y 3, conforme a los ensayos recopilados en el Departamento de Ingeniería de la Alcaldía Municipal de San Miguel.

3.1.1 RESISTENCIA DEL PILOTE

En los datos obtenidos mediante los sondeos de penetración estándar para la zona 1, encontramos la presencia de material arcilloso en los distintos estratos, por lo que, de acuerdo a esas condiciones, procederemos al cálculo de la resistencia por punta del pilote, según Meyerhof (1976, presenta la ecuación en forma matemática análoga a la de Terzaghi, a partir de un mecanismo de falla distinto. La diferencia radica principalmente en el cálculo de los factores de seguridad):

EJEMPLO PARA LA ZONA 1:

Se utiliza la fórmula de resistencia de la punta del pilote, asumiendo que el pilote colado in situ tiene un funcionamiento similar, ya que se apoya sobre un suelo firme.

De la Ecuación Meyerhof, Capítulo 2, pág. 62, tenemos:

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donde:

Qp: resistencia de la punta

Ap: área de la punta del pilote

c: cohesión del suelo que soporta la punta del pilote q´: esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Nc*, Nq*: factores de capacidad de carga

Datos:

• En el estudio de suelos ICIA S.A. DE C.V. (Anexo N-2), se recomienda el diámetro del pilote igual a 30 cms, por lo que:

D = 0.30 m, diámetro del pilote • Cálculo de área del pilote:

Ap = πD²/4 Donde:

Ap = área del pilote π = 3.1416

D = diámetro del pilote = 0.30 m

Sustituyendo en ecuación:

Ap = 3.1416 (0.30m)² / 4 = 0.0706 m²

• Cálculo de la cohesión, de acuerdo a la fórmula empírica utilizada por los laboratorios nacionales basada en los ensayos y experiencias realizadas en el país.

c = Qu / 2 Donde:

c = cohesión del suelo

Qu = 5 kg/cm², capacidad última de carga del suelo donde se apoyará el pilote. (Ver tabla 2.0, pág. 98, sondeo S-2)

Sustituyendo en ecuación tenemos:

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• Para el cálculo del ángulo de fricción interna del suelo, se utilizan los valores propuestos para arcillas en condiciones consolidadas (ver tabla 1.3, pág. 28).

Ø = 30°

• Los factores de seguridad de carga de Meyerhof, han sido tomados de acuerdo al ángulo de fricción interna del suelo y son adimensionales, por lo que se tiene (ver tabla 1.10, pág. 62):

Nc* = 30.14

Nq* = 18.40

• La profundidad de desplante ó longitud del pilote Df, fue recomendada por el laboratorio de suelos, basados en la capacidad del suelo a esa profundidad y los resultados N de penetración estándar:

Df = 4.0 m

• Otro dato a tener en cuenta es el peso volumétrico del material (γ), para este caso se ha obtenido el dato según la tabla 1.4, pág. 33, arcillas firmes o consolidadas, por lo tanto tenemos:

γ = 1,700 kg/m³

• Para obtener el esfuerzo vertical en la punta del pilote, se calcula multiplicando la longitud del pilote por el peso volumétrico de la arcilla consolidada a esa profundidad:

q´ = Df . γ Donde:

q´= esfuerzo vertical efectivo a nivel de la punta del pilote Df = profundidad de desplante o longitud del pilote

γ = peso volumétrico del material

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• Como factor de seguridad para el empleo de pilotes, se han seguido los lineamientos referenciados en el Manual de Cimentaciones Profundas de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, el cual sugiere utilizar el valor 3, para condiciones normales de servicio (ver pág. 64) :

FS = 3.0

Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación de Meyerhof, tenemos:

Qp = 0.0706 m² (25,000 kg/m² (30.14) + 6,800 kg/m² (18.40))

= 0.0706 m² (753,500 kg/m² + 125,120 kg/m²) = 0.0706 m² (878,620 kg/m²)

Qp = 62,030.57 kg

Teniendo la capacidad de carga del pilote, procedemos al cálculo de su capacidad admisible de carga:

Qadm = Qp/ FS

Donde:

Qadm = capacidad de carga admisible

Qp = capacidad de carga del pilote

FS = factor de seguridad

Qadm = 62,030.57 kg / 3 = 20,676.80 kg

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3.1.1.1 CONSIDERACIONES DE DISEÑO EN EL ESFUERZO CORTANTE ENTRE EL GRUPO DE PILOTES Y LA ZAPATA.

Los pilotes se distribuyen generalmente bajo las zapatas en grupos, uno bajo cada columna. El grupo se corona con una zapata de distribución, el cual distribuye la carga de la columna a todos los pilotes del grupo. Esta interacción de pilotes, son en muchos aspectos similares a las zapatas sobre el suelo, excepto por dos características: la primera, que las reacciones en la zapata actúan como cargas concentradas sobre los pilotes individuales, en vez de hacerlo como presiones distribuidas. La segunda, si el total de todas las reacciones de los pilotes de un grupo se divide por el área de la zapata para obtener una presión uniforme equivalente, se encuentra que esta presión es sustancialmente mayor en la zapata que corona el grupo de pilotes que en las zapatas superficiales.

Por lo anterior, se determina que los momentos, y en particular los cortantes, también son mayores en forma recíproca, lo cual exige mayores alturas de zapata que para aquéllas superficiales con dimensiones horizontales similares. Con el fin de distribuir la carga a todos los pilotes de manera uniforme, es aconsejable en todo caso suministrar rigidez considerable, es decir, un buen espesor de la zapata que corona el grupo de pilotes.

Para el cálculo de la porción efectiva Re disponible para resistir las cargas no mayoradas de las columnas, es igual a la carga admisible del pilote (Qadm) menos el peso de la zapata, del relleno y la sobrecarga por pilote, entonces obtenemos:

Re = Qadm – Wf Donde:

Re = Reacción efectiva

Qadm = Carga admisible del pilote

Wf = Peso de la zapata, relleno y sobrecarga dividido por el número de pilotes.

La cantidad y ubicación de los pilotes en dicho grupo se determina mediante aproximaciones sucesivas, partiendo de la condición de que la carga en el pilote sometido a

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mayor carga no debe exceder la carga admisible del pilote. Con una distribución lineal de cargas en los pilotes a causa de la flexión, la máxima reacción de un pilote es:

Rmax = P/n + M/Ipg/c Donde:

P = carga máxima (incluye peso de la zapata, relleno, etc) M = momento que debe resistir el grupo de pilotes

Ipg = momento de inercia del grupo completo de pilotes con respecto al eje centroidal alrededor del cual se produce la flexión.

n = número de pilotes

c = distancia desde eje hasta el pilote más alejado.

Los pilotes se distribuyen generalmente en patrones ajustados, que minimizan el costo de la zapata de coronamiento, pero no pueden colocarse a espaciamientos menores que los permitidos por las condiciones de hinchamiento. Se acostumbra a utilizar un espaciamiento aproximado de tres veces el diámetro de la cabeza del pilote, pero no menor de 60 cms. Comúnmente los pilotes con cargas admisibles entre 30 y 70 toneladas están espaciados a 90 cms.

El diseño de las zapatas sobre pilotes es similar al de zapatas para columnas individuales. Un método consiste en diseñar la sección de la zapata para las reacciones de los pilotes calculadas con las cargas de las columnas mayoradas. Para un grupo de pilotes cargado en forma concéntrica, se recomienda tomara una reacción del pilote para el diseño a la resistencia igual a:

Ru = Re x factor de carga Donde:

Factor de carga = (1.4D + 1.7L)(D+L)

De este modo, la zapata de coronamiento del grupo de pilotes se diseña para que sea capaz de desarrollar la capacidad admisible del grupo de pilotes. El espesor es controlado por cortante. Con respecto a esto debe tenerse en cuenta tanto el cortante por punzonamiento o

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en dos direcciones, como el cortante por flexión o en una dirección. El cortante se produce por las reacciones concentradas de los pilotes en el lugar de las presiones distribuidas de contacto. Por lo tanto, para calcular el cortante si la sección crítica interfecta la circunferencia de uno o más pilotes, el código del ACI 15.5.3 tiene en cuenta el hecho de que la reacción del pilote no es en verdad una carga puntual, sino que se distribuye sobre el área de contacto del pilote. De acuerdo con esto, el código establece le siguiente para pilotes con diámetro dp:

El cálculo del cortante en cualquier sección a través de una zapata sobre pilotes se debe realizar de acuerdo con lo siguiente:

- La reacción total de cualquier pilote cuyo centro se localice a una distancia dp/2 ó mayor por fuera de esta sección debe considerase que produce cortante en esta sección.

- La reacción de cualquier pilote cuyo centro se localice a una distancia de dp/2 ó mayor por dentro de la sección debe considerarse que no produce cortante en esta sección.

- Para posiciones intermedias del centro del pilote, la porción de reacción del pilote que se considera que produce cortante en la sección debe basarse en una interpolación lineal entre el valor total dp/2 por fuera de la sección y cero a dp/2 dentro de la sección.

Además de verificar el cortante en dos direcciones y en una dirección, como se describió anteriormente, también debe investigarse el cortante por punzonamiento para el pilote individual. Particularmente en el caso de la zapata sobre una pequeña cantidad de pilotes sometidos a cargas considerables, el espesor requerido pude quedar controlado por la posibilidad de punzonamiento del pilote hacia arriba a través de la zapata. El perímetro crítico para esta acción se localiza de nuevo a una distancia d/2 por fuera del borde superior del pilote. Sin embargo, para zapatas con espesores relativamente grandes y con pilotes muy cercanos entre sí, los perímetros críticos alrededor de los pilotes adyacentes pueden

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traslaparse. En este caso, el fracturamiento, si se presenta, ocurrirá indudablemente a lo largo de una superficie inclinada hacia afuera o alrededor de los dos pilotes adyacentes.

Fuente: Diseño de Estructuras de Concreto, 2003.

3.1.2 EFICIENCIA DE GRUPO DE LOS PILOTES

Según el libro Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001: “La determinación de la capacidad de carga del grupo de pilotes es extremadamente complicada, y no se ha resuelto todavía por completo. Cuando los pilotes se colocan cerca uno de otro, una razonable hipótesis es que los esfuerzos transmitidos por los pilotes al suelo se traslapan, reduciendo así la capacidad de carga de los pilotes. Idealmente, los pilotes en un grupo deben espaciarse de manera que la capacidad de carga del grupo no sea menor que la suma de sus capacidades individuales. En la práctica, la separación mínima de centro a centro de los pilotes es 2.5D y en situaciones ordinarias es aproximadamente es 3D y 5D. (D = diámetro del pilote)”.

EJEMPLO PARA LA ZONA 1:

Para el cálculo de la eficiencia de grupo de pilotes, es necesario considerar un número de pilotes que resistirán las cargas que soportan las zapatas. Para este caso, se ha establecido una carga de 80 ton, que llegan a una zapata de 1.25m x 2.5m:

Hay diferentes fórmulas para calcular la eficiencia, consideraremos la fórmula establecida por Feld (Principios de Ingeniería de Cimentaciones, Braja M. Das, 2001), en la cual la capacidad de carga del pilote se reduce en 1/16 por cada diagonal adyacente o fila de pilotes:

De la carga total establecida de 80 ton, se requerirán teóricamente la cantidad de 4 pilotes, resistiendo cada uno de ellos 20 ton.

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Por lo anterior se requiere verificar la pérdida de carga de los pilotes trabajando en grupo, determinando su eficiencia de la siguiente manera:

η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% Donde:

η = eficiencia del grupo de pilotes

Qadm = capacidad de carga admisible del pilote = 20 ton.

Xi = sumatoria de la capacidad admisible perdiendo cada uno 1/16 por cada pilote en fila o adyacente. Para cada pilote tenemos una perdida en grupo de 3/16.

Sustituyendo datos en la ecuación de eficiencia del grupo de pilotes tenemos para 4 pilotes:

η = 100% - Σ (20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16) = 100% - 15%

η = 85% (eficiencia del grupo de pilotes)

Teniendo la eficiencia del grupo de pilotes, es necesario conocer la capacidad de carga del grupo

Qg = Qadm . η . Npilotes

Donde:

Qg = carga de grupo de pilotes

P = Pérdida del pilote = 3/16

1/16 1/16

1/16 P

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Npilotes = numero de pilotes (4)

Sustituyendo de la ecuación:

Qg = 20ton(85%)(4) Qg = 68 ton.

Teniendo una capacidad de carga menor que la establecida por la estructura que es de 80 ton. Se establece matemáticamente: lo siguiente que con 4 pilotes obtenemos una carga menor de 80 ton, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su diámetro:

Aumentando 1 pilote a la zapata:

Eficiencia para grupo de 5 pilotes:

η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%

= 100% - Σ (20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 3/16 + 20 x 4/16) = 100% - 20%

Carga total del grupo de 5 pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes

= 20 ton (80%) (5) Qg = 80 ton

P = Pérdida del pilote = 4/16

1/16 1/16

1/16 P

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Se concluye que aumentando un pilote logramos la carga necesaria de 80 ton que soportará la estructura, mediante el grupo de 5 pilotes.

3.1.3 DISEÑO ESTRUCTURAL DE CADA PILOTE COLADO IN SITU

El diseño estructural de cada pilote estará regido bajo la normativa del ACI 318R-2002, y específicamente las secciones siguientes:

- Sección 7.6 “Límites para el espaciamiento del acero de refuerzo”, subsección 7.6.3 “En elementos reforzados con espirales, o en miembros a compresión reforzados con anillos, la distancia libre entre varillas longitudinales no será menor de 1.5db

(diámetro de la varilla), ni de 4 cms”.

Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 30 cms. 2.50 mts 1.25 mts Pilote 30 cms Zapata aislada

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- Sección 7.7 “Protección de concreto para el acero de refuerzo”, subsección 7.7.1 “Concreto colado en obra. El concreto colado en contacto con el suelo y permanentemente expuesto a él, tendrá un recubrimiento mínimo de 7.5 cm”

- Sección 7.10.4 “Espirales. Acero de refuerzo en espiral para elementos a compresión”, subsecciones:

a) 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de 1.0 cm”.

b) 7.10.4.3 “El espaciamiento libre entre espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”.

c) 7.10.4.4 “El anclaje del refuerzo en espiral se deberá aumentar 1.5 vueltas más de la varilla o del alambre en cada extremo de la unidad espiral”.

d) 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en espiral, estos serán una longitud de 48 db, pero

no menor de 30 cm, o se soldarán”.

- Sección 9.3 “Resistencia de Diseño”, subsección 9.3.2 “Factor de reducción de resistencia, φ, debe ser el siguiente: compresión axial y flexocompresión axial: elemento con refuerzo en espiral 0.75”.

- Sección 10.9 “Limites de acero de refuerzo para elementos sujetos a compresión”, subsecciones:

a) 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.08 veces el área total de la sección”.

b) 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3 varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”.

- Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c.

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CÁLCULO DEL ACERO DE REFUERZO, PILOTE EN LA ZONA 1:

Los pilotes serán colados in situ y de 30 cms, con una longitud Df=4.0 mts. Como consideraciones de diseño especificada (ACI 318R-2002, Capitulo 2, sección 2.1), para el concreto y el acero tenemos:

f´c = 210 kg/cm², Resistencia a la compresión especificada del concreto. f´y = 2,800 kg/cm², Resistencia mínima a la fluencia del acero.

El cálculo del acero de refuerzo mínimo de cada pilote, será determinado por los siguientes métodos:

a) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ:

As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y

Donde:

As: acero mínimo de refuerzo

Qadm: capacidad admisible de carga del pilote Ap: área de la sección del pilote

f´c: esfuerzo a la compresióndel concreto f´y: esfuezo de fluencia del acero

φ: factor de reducción

Datos:

• Capacidad admisible de carga del pilote (Qadm): 20 ton ó 20,000 kg, según el cálculo de resistencia del pilote, pág. 102

• Área del pilote (Ap): para un pilote de 30 cms de diámetro, es igual a 706.86 cm², pág. 100

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• Resistencia a la fluencia del acero (f´y): 2,800 kg/cm²

• Factor de reducción (φ): según ACI 318R-2002, sección 9.3 “Resistencia de Diseño”, subsección 9.3.2, es igual a 0.75 (adimensional).

As = (20,000 kg – 0.60(706.86 cm²)(210 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²) = (20,000 – 89,064.36) / 2,100

= -69,064.36 / 2,100 As = -32.88 cm²

Como el valor de As es negativo, se tomará como porcentaje mínimo de acero: 0.01 (ACI 318R-2002: sección 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”), entonces tenemos:

As = 0.01 (706.86 cm²) As = 7.07 cm²

b) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente ecuación:

As = 0.01 Ag

Donde:

Ag: área gruesa de la sección del pilote 0.01: porcentaje mínimo de reducción.

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Se ha establecido la ecuación anterior, de acuerdo a la siguiente sección del ACI:

- 10.9.1 “El área del acero de refuerzo longitudinal para elementos no compuestos sujetos a compresión, no debe ser menor de 0.01, ni mayor que 0.8 veces el área total de la sección”.

Datos:

• Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección del pilote Ap, entonces tenemos: 706.86 cm².

Sustituyendo datos en ecuación tenemos:

As = 0.01 (706.86 cm²)

As = 7.07 cm², área de refuerzo mínima requerida.

Luego se procede al cálculo de varillas del pilote de acuerdo al ACI:

- Sección 10.9.2 “El acero de refuerzo longitudinal mínimo en elementos sujetos a compresión, debe ser de 4 varillas dentro de los anillo circulares o rectangulares, 3 varillas dentro de anillos triangulares, y 6 varillas confinadas por espiral”.

Para esta sección tomaremos como mínimo 6 varillas longitudinales, así: Área Ø½” = 1.29 cm² x 6 varillas

Área Ø½” = 7.74 cm², equivalente al As.

Luego se realiza el cálculo de la longitud de desarrollo que se anclará entre la zapata y el pilote de la siguiente manera:

ACI Sección 12.3 “Longitud de desarrollo de varillas corrugadas”, subsección 12.3.2 “La longitud de desarrollo básica debe ser (0.075 db f´y) / √f´c. Además no deber ser menor de

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Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c

= (0.075 (1.27)(2,800))/ √210

= 18.40 cm < 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 20 cms.

Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de 1.0cm”.

Estribo de espiral = Ø3/8” ó No.3

El traslape del estribo de espiral según el ACI sección 7.10.4.5 “En traslapes de refuerzo en espiral, estos serán una longitud de 48 db (diámetro varilla), pero no menor de 30 cm, o se

soldarán”. Por lo tanto tenemos:

Traslape = 48 (0.952) = 45.70 cms > 30 cms, no requiere soldadura

La separación del espiral según ACI sección 7.10.4.3: “El espaciamiento libre entre espirales no debe exceder de 7.5 cm, ni ser menor a 2.5 cm”. Por lo que queda a criterio del diseñador, y con lo cual sugerimos:

Separación normal del espiral = 7.5 cms Separación en área de confinamiento = 5.0 cms

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DETALLE SIN ESCALA DE ARMADO DEL ACERO DE REFUERZO

Ldb = 20 cms, según

cálculo mediante ACI sección 12.3. Doblado a 90°

Separación normal de espiral 7.5 cm

Df = 4.0 mts Zona confinamiento 50 cms, sepación espiral 5.0 cms

30 cm

6 No.4, según ACI sección 10.9.2 y espaciamiento distribuido uniforme en diámetro interno de 22,5 cm.

Estribo de Espiral No.3, según ACI sección 7.10.4.2

Zapata aislada

Recubrimiento de 7.5 cm, según ACI sección 7.7

Empotramiento entre pilote y zapata no menor de 5cm Concreto vibrado f´c = 210 kg/cm2 Terreno Natural 30 cms.

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EJEMPLO PARA LA ZONA 2

Se ha determinado el sondeo número 18 de la tabla estratigráfica del promedio de esta zona, la presencia de materiales arcillosos inorgánicos de alta plasticidad (CL-CH) a una profundidad de 7mts y N=40, por lo que para poder cimentar una edificación de 95 ton, se requiere del uso de cimentaciones profundas (pilotes), para llegar a ese estrato resistente.

A continuación se procede al cálculo de la capacidad de carga del pilote, haciendo uso nuevamente de la ecuación 1:

Qp = Ap (cNc* + q´Nq*)

Donde:

Datos:

• Se asume para diferenciar el ejemplo 1, un diámetro del pilote de 0.40 mts. D = 0.40 m

• Cálculo del área del pilote:

Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.40m)² / 4 = 0.126m²

• Para calcular la capacidad de carga del suelo, hacemos uso de la tabla 1.6, pág. 45, la cual correlaciona el “N” número de golpes. En esta zona tenemos un promedio de N=40, entonces:

Qu =3.8 kg/cm²

• Cohesión empírica:

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c = 3.8 kg/cm² / 2 = 19,000 kg/m²

• Angulo de fricción interna, de la tabla 1.3, pág. 28, encontramos para este tipo de material valores de 20 a 30, por lo cual consideramos:

Ø = 28°

• Factores de seguridad de Meyerhof para un ángulo de 28°, tabla 1.10, pág. 62: Nc* = 25.80

Nq* = 14.72

• Profundidad de desplante o longitud del pilote, representa la profundidad de 7.0 mts menos 2.0 mts teóricos del desplante de la cimentación superficial:

Df = 5.0 m

• Peso volumétrico del material:

γ = 1,700 kg/m³

• Esfuerzo vertical del pilote:

q´ = Df . γ

q´ = 5.0 x 1,700 = 8,500 kg/m²

• Factor de seguridad:

FS = 3.0

Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 1, tenemos:

Qp =0.126 m² (19,000 kg/m² (25.80) + 8,500 kg/m² (14.72))

=0.126 m² (490,200 kg/m² + 125,120 kg/m²) =0.126 m² (615,320 kg/m²)

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• Teniendo la capacidad de carga del pilote establecida, procedemos al cálculo de su capacidad admisible de carga:

Qadm = Qp/ FS

Qadm = 77,530.32 kg / 3 = 25,846.44 kg

Qadm =26.0 Ton ó 26,000 kg.

CALCULO DE EFICIENCIA PARA LA ZONA 2:

La carga que se considerará para el caso de este ejemplo es de 95.0 ton con una zapata de 2.0m x 2.50m:

η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% Para 4 pilotes:

η = 100% - Σ (26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16) = 100% - 19.50%

η = 80.50% (eficiencia del grupo de pilotes)

Carga total del grupo de pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes

Qg = 26 ton (80.50%) (4) Qg = 83.72 ton.

Teniendo una capacidad de carga en grupo menor que la establecida por la estructura que es de 95 ton, se establece lo siguiente: con 4 pilotes obtenemos una carga de 83.72 ton, menor de la requerida, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su diámetro (según criterio del diseñador):

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Aumentando 1 pilote a la zapata:

Eficiencia para 5 pilotes: η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%

= 100% - Σ (26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 3/16 + 26x 4/16) = 100% - 26.0%

Carga del grupo de 5 pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes

= 26 ton (74%) (5) Qg = 96.2 ton

Con este resultado, se satisface la carga establecida de 95.0 ton de la estructura propuesta.

Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 40 cms. 2.50 mts 2.0 mts Pilote 40 cms Zapata aislada

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Los pilotes serán colados in situ y de 40 cms, con una longitud Df=5.0 mts. Como consideraciones de diseño especificada (ACI 318R-2002, Capitulo 2, sección 2.1), para el concreto y el acero tenemos:

c) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ:

As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y

Donde:

Datos:

• Área del pilote (Ap): para un pilote de 40 cms de diámetro, el área es igual a 1,256.64 cm², pág. 116

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As = (26,000 kg – 0.60(1,256.64 cm²)(210 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²) = (26,000 – 158,336.64) / 2,100

= -132,336.64 / 2,100 As = -63.0 cm²

As = 0.01 (1,256.64 cm²) As = 12.57 cm²

d) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente ecuación:

As = 0.01 Ag

Donde:

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Datos:

• Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección del pilote Ap, entonces tenemos: 1,256.64 cm².

As = 0.01 (1,256.64 cm²)

Para esta sección tomaremos como mínimo 7 varillas longitudinales, así: Área No.5 = 2.0 cm² x 7 varillas

Área No.5 = 14.0 cm², >As = 12.57 cm², entonces ok.

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Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c

= (0.075 (1.59)(2,800))/ √210

= 23.0 cm > 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 23 cms.

Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de 1.0cm”.

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40 cm

Zapata aislada

(27)

EJEMPLO PARA LA ZONA 4

Se ha determinado el sondeo número 16 de la tabla estratigráfica del promedio de esta zona, la presencia de materiales arcillosos con contenido orgánico (MH-OH) a una profundidad de 6.5mts y N=47, por lo que para poder cimentar una edificación propuesta de 110 ton, se requiere del uso de cimentaciones profundas (pilotes), para llegar al estrato resistente.

A continuación se procede al cálculo de la capacidad de carga del pilote, haciendo uso nuevamente de la ecuación de Meyerhof:

Qp = Ap (cNc* + q´Nq*)

Donde:

Datos:

• Se asume para diferenciar los ejemplos anteriores y por su carga, un diámetro del pilote de 0.50 mts.

D = 0.50 m • Cálculo del área del pilote:

Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.50m)² / 4 = 0.196 m²

• Para calcular la capacidad de carga del suelo, hacemos uso de la tabla 1.6, la cual correlaciona el “N” número de golpes. En esta zona tenemos un promedio de N=47, entonces:

Qu = 4.8 kg/cm²

• Cohesión empírica:

(28)

c = 4.8 kg/cm² / 2 = 24,000 kg/m²

• Angulo de fricción interna, de la tabla 1.3, encontramos para este tipo de material (arcilla orgánica) valores de 20 a 30, por lo cual consideramos:

Ø = 22°

• Factores de seguridad de Meyerhof para un ángulo de 22°, tabla 1.10: Nc* = 16.88

Nq* = 7.82

• Profundidad de desplante o longitud del pilote, representa la profundidad de 6.50 mts menos 2.0 mts teóricos del desplante de la cimentación superficial:

Df = 4.50 m

• Peso volumétrico del material:

γ = 800 kg/m³

• Esfuerzo vertical del pilote:

q´ = Df . γ

q´ = 4.50 x 800 = 3,600 kg/m²

• Factor de seguridad:

FS = 3.0

Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación 1, tenemos:

Qp =0.196 m² (24,000 kg/m² (16.88) + 3,600 kg/m² (7.82))

=0.196 m² (405,120 kg/m² + 28,152 kg/m²) =0.196 m² (433,272 kg/m²)

(29)

• Teniendo la capacidad de carga del pilote establecida, procedemos al cálculo de su capacidad admisible de carga:

Qadm = Qp/ FS

Qadm = 84,921.30 kg / 3 = 28,307.10 kg

Qadm = 28.0 Ton ó 28,000 kg.

CALCULO DE EFICIENCIA PARA LA ZONA 4:

La carga que se considerará para el caso de este ejemplo es de 110.0 ton con una zapata de 2.50m x 2.50m:

η = 100% - Σ (Qadm . Xi)% Para 4 pilotes:

η = 100% - Σ (28x 3/16 + 28x 3/16 + 28x 3/16 + 28x 3/16) = 100% - 21.0%

Carga total del grupo de pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes

Qg = 28 ton (79.0%) (4) Qg = 88.48 ton.

Teniendo una capacidad de carga en grupo menor que la establecida por la estructura propuesta de 110 ton, se establece lo siguiente: con 4 pilotes obtenemos una carga de 88.48, menor de la requerida, por lo que se procederá a aumentar el número de pilotes ó aumentar su diámetro:

Aumentando el diámetro de los pilotes a 60 cms:

(30)

• Cálculo del área del pilote:

Ap = πD²/4 = 3.1416 (0.60m)² / 4 = 0.28 m²

• Se hace necesario calcular nuevamente la capacidad de carga del pilote, por lo tanto, sustituyendo nueva área en la ecuación:

Qp = Ap (cNc* + q´Nq*)

Qp =0.28 m² (24,000 kg/m² (16.88) + 3,600 kg/m² (7.82))

=0.28 m² (405,120 kg/m² + 28,152 kg/m²) =0.28 m² (433,272 kg/m²)

Qp =121,316.16 kg

• Calculando la nueva carga admisible del pilote: Qadm = Qp/ FS

Qadm = 121,316.16 kg / 3 = 40,438.72 kg

Qadm = 40.0 Ton ó 40,000 kg.

Calculo de la eficiencia para 4 pilotes de 0.60m: η = 100% - Σ (Qadm . Xi)%

= 100% - Σ (40x 3/16 + 40x 3/16 + 40x 3/16 + 40x 3/16) = 100% - 30%

Carga del grupo de 4 pilotes: Qg = Qadm . η . Npilotes

= 40 ton (70%) (4) Qg = 112.0 ton

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Con este resultado, se satisface la carga establecida de 110.0 ton de la estructura propuesta.

Los pilotes serán colados in situ y de 60 cms, con una longitud Df=4.5 mts. Como consideraciones de diseño especificada en el Manual de Cimentaciones Profundas, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, se recomienda para pilotes mayores de 60 cms utilizar:

Espaciamiento centro a centro de pilotes de 2.5D a 5.0D D = diámetro de 60 cms. Pilote 60 cms 3D 2.50 mts 2.50 mts Zapata aislada 1.5D

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e) Método empírico, basado en la práctica realizada en nuestro país por algunos diseñadores estructurales para la construcción de pilotes colados in situ:

As = (Qadm – 0.60(Ap)(f´c)) / φf´y

Donde:

Datos:

• Área del pilote (Ap): para un pilote de 60 cms de diámetro, el área es igual a 2,827.44 cm², pág. 128

• Resistencia a la compresión (f´c): 280 kg/cm²

(33)

As = (40,000 kg – 0.60(2,827.44 cm²)(280 kg/cm²)) / (0.75)(2,800 kg/cm²) = (40,000 – 475,009.92) / 2,100

= -435,009.92 / 2,100 As = -207.15 cm²

As = 0.01 (2,827.44cm²) As = 28.27 cm²

f) Método Normativo, el cálculo del acero mínimo de refuerzo As, estará regido bajo las normas determinadas por el ACI 318R-2002, para lo cual tenemos siguiente ecuación:

As = 0.01 Ag

Donde:

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• Área gruesa (Ag): el valor del área gruesa es igual al valor del área de la sección del pilote Ap, entonces tenemos: 2,827.44 cm².

As = 0.01 (2,827.44 cm²)

Para esta sección tomaremos como mínimo 8 varillas longitudinales, así: Área No.7 = 3.87 cm² x 8 varillas

Área No.7 = 30.96 cm², >As = 28.27 cm², entonces ok.

20 cms, sección 12.3.1.

Lbd = (0.075 db f´y) / √f´c

= (0.075 (2.22)(2,800))/ √280

= 27.90 cm > 20.0 cm. Por lo tanto trabajamos con 28.0 cms.

Para finalizar se procede al cálculo del acero de los estribos según ACI sección 7.10.4.2 “Para elementos colados en el lugar, el diámetro de las espirales no debe ser menor de

(35)

1.0cm”. Y como el pilote no trabaja por cortante queda a criterio del diseñador aumentar el diámetro del espiral.

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60 cm

Zapata aislada

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3.2 PROCESOS CONSTRUCTIVOS

3.2.1 GENERALIDADES

Estos procedimientos dependen de las condiciones del terreno, capacidades de carga del suelo, la magnitud de las estructuras, disponibilidad de equipo y otros. Eligiendo por medio del diseño, el tipo de cimentaciones profundas a emplearse, ya sean pilotes hincados o colados in situ.

Para estos pilotes se excava el terreno mediante el equipo de perforación en varios diámetros. Estas excavaciones pueden hacerse en seco o con alguna protección temporal de la perforación; para tener mayores rendimientos y seguridad en las obras, es recomendable realizarlas utilizando equipos de perforación hidráulicos.

En nuestro país, se cuenta con equipos de perforación de varios diámetros, con capacidades de rotación desde 10 ton-mt hasta 18 ton-mt. Estos equipos permiten la ejecución de pilotes en diámetros desde 0.30 mt hasta 2.50 mts y con profundidades hasta alcanzar los 45.0 mts. Dependiendo del tipo del terreno y dimensiones de los pilotes, estos pueden tener una capacidad de carga entre 10 Kg/cm² hasta 40 Kg/cm².*

Para realizar construcciones de pilotes con diámetros y profundidades mayores que los mencionados anteriormente, se tendrá que gestionar con empresas extranjeras para el alquiler de equipos ó subcontratos para su ejecución.

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3.2.2 MÉTODOS CONSTRUCTIVOS DE PILOTES COLADOS IN SITU

3.2.2.1 MÉTODO SECO

Método que se aplica sobre el nivel freático donde no existe el peligro de derrumbe o socavación al perforar el pozo hasta el fondo. Un suelo que cumple con estas características sería una arcilla homogénea y firme. También puede aplicarse este método en el caso de suelos de bajo nivel freático, si la permeabilidad es tal que la filtración en el pozo es mínima, mientras permanece abierto.

Para construir estos pilotes es necesario hacer un replanteo de la zona y ubicar con topografía el centro de cada pilote. Se procede después a colocar el equipo de perforación en el sitio adecuado y la correcta selección de la broca helicoidal (Fig. 3.0) y barrena para iniciar la excavación.

FIG. 3.0

BROCA HELICOIDAL TIPO

Luego se efectúa la perforación hasta la profundidad requerida (Ftg. 3.1), depositando el material excavado en un lugar conveniente para su desalojo posterior. Una vez alcanzada la profundidad total de la excavación puede usarse un ampliador o ensanchador para ampliar el fondo del pozo.

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FOTOGRAFÍA. 3.0 PERFORACIÓN DE PILOTES

Trabajos de perforación realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador. Se observa la excavación del terreno mediante equipo de

perforación, utilizando una broca helicoidal.

El porcentaje de acero de refuerzo que debe colocarse en los pilotes, así como la longitud de refuerzo vertical, se determina en base a las condiciones de carga. Algunas veces se omite el acero de refuerzo, por considerarse que el pilote no soportará esfuerzos laterales, en cambio otras veces es necesario colocarlo a lo largo de toda la longitud del pilote cuando está expuesto a condiciones de cargas laterales ó se coloca el acero de refuerzo en la punta del pilote (cabeza).

La correspondiente armadura con todos sus separadores colocados, se baja lo más centrado posible (Ftg. 3.1) evitando tocar las paredes laterales de la perforación para no producir arrastre de material (Ftg. 3.2).

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FOTOGRAFÍA. 3.1

COLOCACIÓN DE ARMADURA

Trabajos de colocación de armadura de Pilotes realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador.

FOTOGRAFÍA. 3.2 COLOCACIÓN DE ARMADURA

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Una vez posicionada la armadura en el lugar correcto, se inician los trabajos del concreto, utilizando el método TREMIE de llenado por flujo inverso. Por el interior de la armadura se bajan en tramos de tubos acoplables, roscados y sellados mediante el equipo o maquinaria hasta el fondo de la perforación, se coloca la tolva en su parte superior, se obtura unión tolva con cañería mediante tapete (embudo). Luego se vuelca el concreto en la capacidad de la tolva, se retira el tapete y en forma continua se inicia el llenado del pilote. El volumen de concreto que se carga por tolva se desliza hacia el fondo desplazando el agua y posibles impurezas hacia el exterior (superficie). A medida que avanza el llenado (Ftg. 3.3) se van retirando los tubos, estando siempre el tubo puntera sumergido evitando de esta forma el contacto con el agua. Cabe acotar la importancia del concreto el cual debe tener de preferencia un revenimiento de 6 a 7 pulg., con agregado mediano, logrando con esto un libre deslizamiento en el interior de la tubería y un perfecto acomodamiento contra las paredes laterales y los estribos de la armadura.

FOTOGRAFÍA. 3.3 COLADO DE PILOTES IN SITU

Trabajos de Colado de Pilotes in situ, realizados en la construcción de paso a desnivel entre el Boulevar Constitución y Alameda Juan Pablo Segundo, San Salvador.

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3.2.2.2 MÉTODO ENTUBADOS O ADEME

Este sistema se adopta donde la naturaleza del terreno a trabajar es tan crítica que las paredes de las perforaciones no logran sostenerse aplicando fangos estáticos (bentonita o gel). El equipo montado sobre oruga tiene la suficiente potencia y adaptaciones necesarias para introducir, girando camisas acoplables entre sí hasta llegar donde las condiciones del suelo lo requieran. Una vez colocada la camisa, se excava su núcleo interior con el sistema más adecuado a las características del suelo, hélice o balde bucket (3.1).

FIG. 3.1

BALDE O BUCKET TIPICO

En el caso de no haber alcanzado la cota de profundidad requerida, luego de haber vaciado el interior se acopla un nuevo tramo y se continúa en tareas sucesivas hasta alcanzar el nivel de apoyo del pilote. Cabe destacar que se puede dar una conjunción de sistemas; encamisar solamente una parte de la perforación donde la naturaleza del terreno lo requiera y luego continuar perforando, ya sea con presencias de aguas o aplicando lodos estabilizantes. Es de suma importancia destacar que este método, calificado como de última generación (Ftg. 3.4), no transmite ningún tipo de vibraciones a posibles edificios linderos, ya que el encamisado se produce por giro y no por hincado o vibrohincado.

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MÉTODO ENTUBADOS O ADEME

Equipo sobre orugas, introduciendo camisas acoplables antes de la perforación. Trabajos realizados en Guatemala por Rodio-Swissboring

Una vez que se ha logrado la limpieza del interior de la camisa se baja la armadura metálica con sus correspondientes separadores y se la posiciona en su lugar.

Para el colado, el sistema a adoptar depende totalmente de las características del suelo de trabajo. En muchas ocasiones se produce un llenado en seco utilizando tubos para evitar disgregamiento del concreto. En caso de presencia de aguas o lodos bentoníticos, se aplica el sistema Tremie o Contractor de llenado por flujo inverso. Por el interior de la armadura se bajan tuberías en tramos aclopables, roscados y sellados mediante O'ring (empaque para evitar pérdida de lechada) hasta el fondo de la perforación. Se procede al vaciado del concreto de igual forma que el método seco. Una vez lleno el pilote, se procede al retiro de la camisa (Ftg. 3.5), ya sea produciendo el giro de la misma o con pequeños golpes de extracción, luego se van desacoplando los tramos de ésta sucesivamente hasta sacarla totalmente. Una vez concluida esta operación nos queda el pilote terminado.

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FOTOGRAFÍA. 3.5 ADEME RECUPERABLE

Retiros de camisa utilizando pluma sobre oruga en la construcción de un puente. Trabajos realizados en Guatemala por Rodio-Swissboring

3.2.2.3 METODO CON LODOS ESTABILIZANTES

Se realiza con un equipo de accionamiento hidráulico y consiste en perforar hasta la cota de fundación requerida, en dicha excavación se utiliza mecha helicoidal para inicio y luego balde “bucket”, esta herramienta posee la particularidad de almacenar todo el material cortado en su interior evitando que éste quede disgregado en la perforación. Estas operaciones se realizan con el aporte constante de fangos estabilizantes (Ftg. 3.6) para garantizar la estabilidad de las paredes laterales de la excavación y sostenerlas evitando posibles desmoronamientos de terreno.

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ESTABILIZACIÓN BENTONÍTICA

Utilización de bentonita en la perforación, estabilizando las paredes. Trabajos realizados en pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador.

El lodo estabilizante es conocido comúnmente como bentonita, que es una arcilla la cual contiene una gran cantidad de monmorilonita. Al ser mezclada con agua, forma un coloide con moléculas de bentonita intercaladas con moléculas de agua.

Al someter la bentonita a presión, las placas hidratadas se adhieren al terreno, mientras que las moléculas de agua se introducen en el terreno y por último, al prolongar este contacto se forma una película de bentonita comúnmente denominada cake, comportándose esta capa como una película de protección y permite que la mayor presión hidrostática dentro de la perforación, mantenga estable las paredes y evite cualquier desprendimiento de la misma.

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Una vez alcanzada la profundidad solicitada se procede al bajado de armadura (Ftg. 3.6) con sus correspondientes separadores. Esta operación se realiza normalmente con el tiro libre de la perforadora usándola como grúa. Se introduce la armadura del pilote hasta que el fondo de éste queda de 20 a 30 cms., sobre el fondo de la excavación; esto será posible porque la armadura se sostendrá de la parte superior con vigas de acero o algún elemento especial diseñado para dicha función.

Para cargas axiales, los pilotes generalmente llevan una cuantía de acero entre el 0.5 a 0.10% del área nominal del pilote. Para dar una mayor rigidez a la armadura, cada tramo deberá quedar soldado en varias de las barras del esfuerzo vertical.

Posicionada la armadura en el lugar correcto, se deben de tomar debidas precauciones para asegurar la mejor calidad. En el caso de la tubería, esta deberá retirarse mientras se está haciendo el colado, ya sea por tensión vertical o movimientos oscilatorios. En el caso de utilizar la bentonita, durante el proceso de excavación, el lodo se carga con arena y descansa al fondo; como primer paso, es necesario utilizar e bucket para retirar el exceso de arena. Luego, se procede a retirar hasta cierta tolerancia del 5.0% en peso, toda la arena que está en suspensión; para hacer esto, se debe de bombear lodo mezclado con material de excavación del fondo hacia fuera y sustituirse por lodo nuevo, es decir, desarenado.

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BAJADO DE ACERO DE REFUERZO

Bajado del acero de refuerzo o armadura mediante grúa, luego de la perforación del terreno. Trabajos realizados en pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador.

Cuando el lodo retirado del fondo de excavación cumple con las normas establecidas (Tabla 3.0), se considera que el panel está listo para ser colado (Fig. 3.7).

TABLA 3.0

CARACTERISTICAS MINIMO ACEPTABLE MÁXIMO ACEPTABLE

Densidad 1.10 ton/m³ 1.25 ton/m³

Viscosidad 30 45

Contenido de agua - 5%

Para evitar que se segregue el concreto es necesario utilizar una tubería tipo TREMIE, esta tubería permite que el concreto fluya desde el fondo de la excavación y que por su mayor peso específico pueda desplazar la bentonita y cualquier impureza. Esta tubería quedará al

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inicio del colado a 20 cms del fondo de la excavación y luego deberá mantenerse embebida en el concreto entre 2.0 y 4.0 mts; el colado con este tipo de tubería debe hacerse en forma constante y sin interrupciones.

FIG. 3.7

FIJACIÓN DEL ACERO DE REFUERZO

Bajado, fijación y colocación del acero de refuerzo del pilote, previo al colado.Trabajos realizados en construcción de pilotes del Puente Acelhuate, El Salvador.

3.2.2.4 METODO NIVEL FREÁTICO

Este tipo de tareas se efectúan con un equipo perforador rotativo de accionamiento hidráulico. Se perfora hasta la cota de fundación requerida, utilizando mecha helicoidal para poder iniciar marcando la perforación (Ftg. 3.8). Esta mecha se utiliza hasta encontrarse con el nivel freático, cuando la presión de ésta comienza a inundar la perforación se cambia de herramienta colocando balde “bucket”. Este elemento, especialmente diseñado para ser utilizado en trabajos por debajo de niveles acuíferos, corta por su fondo y almacena todo el material en su interior evitando que éste quede disgregado en la perforación. Esta característica es de suma importancia ya que cuando se alcanza la

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cota requerida la perforación se encuentra totalmente limpia, sin ningún material grueso suelto que pueda impedir u ocasionar un mal llenado del pilote.

MAQUINARIA PARA PERFORACIÓN CON BUCKET

Maquinaria sobre oruga utilizando bucket durante la perforación previo al colado del pilote. Trabajos con método nivel freático, Guatemala.

Luego se procede al bajado de la armadura, que se realiza normalmente con el tiro libre del equipo perforador. La correspondiente armadura con todos sus separadores colocados, se baja lo más centrado posible evitando tocar las paredes laterales de la perforación para no producir arrastre de material.

Una vez posicionada la armadura en el lugar correcto, se inician los trabajos de vaciado del concreto del pilote, se utiliza el método TREMIE de llenado por flujo inverso. El proceso a seguir es igual al método seco. A medida que avanza el llenado se van retirando los tubos, estando siempre el tubo puntera sumergido en el concreto evitando de esta forma el contacto con el agua. Se recomienda tener un revenimiento entre 7 y 8 pulg., con agregado mediano, logrando con esto un libre deslizamiento en el interior de la tubería y un perfecto acomodamiento contra las paredes laterales y los estribos de la armadura.

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3.2.2.5 SISTEMA HÉLICE CONTÍNUA

Este sistema de última generación se ejecuta con equipos de alta potencia-torque y que poseen la más avanzada tecnología aplicada a la construcción y controles de calidad de los pilotes.

Normalmente se aplica este método donde los suelos a perforar son inestables, con presencia de nivel freático, desmoronables y que ante los trabajos de perforación con los métodos tradicionales pueden llegar a colapsar, a diferencia de otros como los lodos bentoníticos, se obtienen altas producciones (dependiendo del tipo y espacio de obra) y una mayor limpieza de la misma. Se trata de hacer la Ingeniería de fundación sobre la base del sistema constructivo adoptado tratando de unificar el diámetro a utilizar.

La forma de ejecutar el pilote es la siguiente: el equipo trabaja con una hélice continua de 12.0 mts. de longitud y posee un prolongador para alcanzar los 18.0 mts. de profundidad. Mediante giro y empuje introduce la mecha en el suelo hasta la cota de fundación, luego se acopla el equipo con la bomba de concreto. A medida que se va extrayendo la mecha del terreno por el interior del eje de la misma se bombea el concreto, comparandola contra la velocidad de ascenso de la mecha por medio de un equipo computarizado, evitando no levantar de más si no está la mezcla ocupando el lugar.

Se trabaja de esta forma hasta extraer la total longitud de la mecha, inmediatamente se toma la armadura con el tiro libre de la máquina y se la coloca, ayudándola a entrar mediante peso o por vibración de la misma, quedando de esta forma el pilote terminado.

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MAQUINARIA PARA PERFORACIÓN HÉLICE CONTINUA

Maquinaria trabajando con el sistema de hélice continua en perforación del suelo, previo a la colocación del acero de refuerzo. Italia, 2003.

3.2.2.6 MÉTODO CONSTRUCTIVO DE PILOTES ARTESANALES

En nuestro país, durante los últimos años, se ha incrementado el uso de pilotes de concreto colados en el sitio. Generalmente en la construcción de obras de menor magnitud que no requieren el uso de perforadoras mecánicas, plumas, etc., el constructor realiza este tipo de obras mediante cimentaciones artesanales.

La utilización de este método se caracteriza por el tipo de equipo y métodos utilizado por una excavación con barrenos de uso manual, fabricados de acero en un taller de mecánica, generalmente con poco control de calidad. El método se utiliza en aquellas construcciones

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técnicas de las obras como la industria viviendista y pequeños edificios y donde es necesario colar, muchos pilotes de diámetros reducidos.

Se procede de la siguiente manera:

Impulsado con fuerza un barreno de fabricación artesanal de forma helicoidal hacia dentro del terreno por una o más personas, se perfora hasta la profundidad determinada por un estudio geotécnico. Generalmente cuando se utiliza este método las profundidades no son muy grandes, llegando a alcanzar 10 mts las máximas perforaciones.

Este proceso de excavación tiene muchos inconvenientes:

• Si se encuentra un estrato de suelo de gran resistencia por donde debe pasar el barreno, éste necesita más fuerza para poder perforarlo, por lo que esta fuerza extra hace que el barreno se desvíe unos pocos centímetros, perdiendo la perforación su verticalidad original. Esto puede ser perjudicial, pues estas discontinuidades podrían afectar la transmisión de carga en el pilote.

• Es bastante probable que a medida se excava no toda la tierra removida puede ser sacada del pozo, por lo que existen azolves en el fondo. Lo que el constructor hace en general es compactar este azolve con un pisón largo, pero esta práctica no es muy recomendable, pues el compactado no puede hacerse correctamente y aunque se esté en el estrato resistente, el pilote no se colocará originalmente sobre él, por lo que al soportar el peso de la superestructura se asentará una distancia igual al espesor del azolve compactado.

• Si se encuentra en el proceso de excavación un estrato rocoso, el barreno natural no podrá pasar por él. Muchas veces se mal interpretan estos estratos creyéndose que ya se ha llegado al estrato resistente, cuando probablemente sea una pequeña formación rocosa que cederá cuando el pilote sea cargado.

Luego de haber realizado la excavación se procede a la colocación del acero de refuerzo vertical, el cual consiste como mínimo de 4 a 6 varillas longitudinales de 3/8” o de 1/2” con estribo de espiral de 1/4” o 3/8”, dependiendo del diseño estructural. El refuerzo se coloca en el pozo sin la ayuda de ninguna grúa, sometiéndolos muchas veces a esfuerzos por doblado en su introducción.

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Cuando ya está colocado el acero, se procede al colado del concreto que generalmente es de una resistencia a la compresión de 210 kg/cm² con un revenimiento de 6 a 7 pulgadas.

El colado puede realizarse de dos maneras diferentes:

• Con concreto premezclado en planta y transportado en camiones revolvedores o mediante bombeo. Este concreto se baja del camión y se va colocando en bateas especiales de gran tamaño; luego es transportado en carretillas de llantas con neumáticos hasta el pozo a ser colado. Muchas veces el camión revolvedor puede llegar cerca del pilote a colar, y ahorrarse los acarreos en carretillas.

• Fabricando el concreto con máquinas revolvedoras de 1/2 a 2 bolsas. Esto se hace cuando la cantidad de concreto a colocar no alcanza con la cantidad que transporta un camión. Este proceso debe tener una mayor supervisión y mayor control de las mezclas realizadas, algunas veces se fabrica el concreto a mano, pero esto no es recomendable y ningún tipo de supervisión debería permitir este método, por mínima que sea la cantidad de concreto a colar.

Para verter el concreto en el pozo también se utilizan dos métodos:

• Se vierte el concreto directamente en caída libre en la oquedad. Este procedimiento es totalmente incorrecto porque la caída libre produce segregación en el concreto disminuyendo la resistencia de éste.

• Por medio de una tolva y trompa de elefante, primeramente se deja caer por la tolva un poco de concreto más fluido de lo normal en caída libre; esto sirve para que luego caiga el concreto normal ya bajo presión, al crearse un vacío dentro de la tolva.

Cuando se vibra o compacta el concreto, se hace con un vibrador en sus regiones superficiales.

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CASO DE NIVEL FREÁTICO EN CONSTRUCCIÓN DE PILOTES ARTESANALES.

En el caso de encontrarse nivel freático de manera superficial, y las paredes de la perforación son estables y permiten trabajar en agua sin mayores dificultades, no hay necesidad de encamisar las paredes. De lo contrario se procederá a encamisarlo, generalmente con tubo PVC.

El día del colado se deberá hacer una limpieza en el fondo de la perforación. Posteriormente se coloca la armaduría con sus separadores, para evitar arrastre de material. Luego se procede al vaciado del concreto, haciéndolo por caída por medio de tubos o preferiblemente bombeado, utilizando éste algún tipo de aditivo acelerante del fraguado, esto provoca al mismo tiempo el ascenso del agua de la perforación, la cual es expulsada del agujero.

Terminado el pilote se procederá a demoler la cabeza de éste por estar muy contaminada y sustituirla por un nuevo concreto de calidad.

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ACCESORIOS DE PERFORACIÓN

Barrena de Perforación Camisa de Perforación

Otros usados en perforaciones

Mecha Balde bucket

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3.2.3 EQUIPO UTILIZADO EN LA CONSTRUCCIÓN

3.2.3.1 GRÙAS

Son máquinas que sirven para el levantamiento y manejo de objetos pesados, contando para ello con sistema de malacates que acciona a uno ò varios cables, montados sobre una pluma y cuyos extremos terminan en gancho.

Para facilitar su función, la unidad motriz y los diferentes mecanismos de la máquina le permiten girar alrededor de un eje vertical y a la pluma moverse en un plano horizontal.

Las plumas de la grúa pueden ser rígidas cuando están formadas por estructuras modulares (de tubo o de ángulo estructural), o bien telescópicas cuando están formadas por elementos prismáticos que deslizan unos dentro de otros.

Para la construcción de cimentaciones profundas se usan generalmente grúas móviles de pluma rígida, bien sea para montar sobre ellas equipo especializado.

Para el montaje de equipo de perforación o hincado, usualmente se requieren grúas de 45 a 80 ton. de capacidad nominal, con plumas rígidas de 18.3 mts de largo. Para las maniobras se emplean grúas de menor capacidad nominal, aunque superior a 15 ton., las condiciones del terreno dictaminan la conveniencia de que estén montadas sobre neumático o sobre orugas.

En la siguiente tabla se muestra una guía de grúas usuales para trabajos de construcción de cimentaciones profundas.

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TABLA 3.1 GRÚAS MOVILES

Marca Modelo Capacidad ton Peso ton LS68 13.61 17.67 LS98 24.49 27.70 LS108-B 40.82 38.40 LS108-D 45.36 38.04 LS118 54.43 54.70 LS318 72.58 63.30 LS418A 99.77 92.02 LS138-H 68.04 55.92 LS208-H 68.04 58.97 Link-Belt LS218-H 90.72 80.02 HS833HD 40.00 39.60 HS843HD 60.00 56.80 HS853HD 80.00 81.20 HS833HD 90.00 96.40 Liebherr HS883HD 120.00 109.40 222 90.70 74.52 777S-1 153.50 113.40 777S-2 160.00 150.14 888S-1 196.80 154.08 888S-2 208.60 189.98 3900WS-2 127.00 118.94 3950W 136.00 136.84 3950D 136.00 143.40 4100WS-1 181.40 166.28 4100WS-2 208.60 204.38 Manitowoc 4100WS-3 217.70 218.64 670WCL 70.00 - 550 50.00 - 5060 60.00 50.52 P&H 5100 100.00 78.37

Marca Modelo Capacidad ton Peso ton 599 C 36.29 - 5299 45.36 - 7220 45.36 - 5299 A 54.40 - 5300 63.50 - 7225 A 77.25 - 7260 90.70 - 9260 113.50 - 9270 136.08 - A100HC 100.00 - American A1500HC 167.80 - DS640 40.00 40.00 BS650 50.00 50.00 BS660 60.00 65.00 BS680 80.00 80.00 BS6100 110.00 90.00 BS6120 120.00 100.00 Bauer BS6180 180.00 160.00 22B 12.00 19.30 38B - - 54B - - Bucyrus Erie 61B 66.50 67.30 C20 20.00 22.00 C40 40.00 35.60 C50 50.00 48.65 C60 60.00 63.70 Casagrande C90 95.00 83.80

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3.2.3.2 PERFORADORAS

Son máquinas para hacer barrenos en el suelo por rotación y percusión. En el caso de las rotatorias, la torsión se transmite por medio de una barra en cuyo extremo inferior se coloca una herramienta de avance tal como una broca, un bote cortador, una hélice. La barra se hace girar con algún mecanismo o bien se levanta y se deja caer sobre el fondo de la perforación, lo cual da lugar a que las perforadoras sean rotatorias o de percusión respectivamente.

a) Perforadoras rotatorias.

Para la construcción de cimentaciones profundas, se emplean generalmente dos tipos de perforaciones con sistema rotatorio:

• Con Barretón o Kelly de perforación; ya sea montada sobre orugas, sobre grúa o sobre camión. En este caso, el Kelly puede ser de una sola pieza o bien telescópico de varias secciones, con el cual se extrae de manera intermitente el suelo perforado. • Con Hélice continua; montada sobre grúa o sobre oruga. El suelo se extrae de

manera continua, conforme se perfora el suelo.

• Con Bauer de circulación inversa, con estos equipos se opera con el principio de un air-lift, para la construcción de pilotes estos equipos pueden perforar profundidades mayores a 100 mts.

La selección de la perforadora mas adecuada para un proyecto dado, dependerá de las características que presenten los materiales del lugar, así como del diámetro y profundidad de las perforaciones por realizar.

A continuación se muestra una lista de perforadoras con Barretón o Kelly telescópico y de Hélice continua, que son más utilizados en la construcción de cimentaciones profundas: