El blog de Alvaro Boiero
"Vive como si fueras a morir mañana. Aprende cómo si fueras a vivir siempre" Mahatma Gandhi
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Interacción pilote-terreno de fundación
Los pilotes son empleados para apoyar todo tipo de estructuras, desde edificaciones multifamiliares hasta fundaciones de aerogeneradores o plataformas offshore para la extracción de petróleo y gas. Es por eso que comprender cómo es la interacción entre el pilote y el terreno de fundación, es fundamental para su diseño ¿Quieres saber más? Continúa leyendo…
Contenido
Qué son los pilotes
Tal como señala Atkinson (2007), una manera simple de comprender qué es un pilote es pensar en que los mismos son columnas delgadas instaladas dentro del terreno, frecuentemente en grupos. El principal propósito de estos elementos, es transferir las cargas desde la estructura hacia un estrato de mayor resistencia y rigidez ubicado a cierta profundidad por debajo de la superficie del terreno.
Los pilotes son típicamente construidos en acero o en concreto armado, y pueden ser hincados en el terreno (como es el caso usual de los pilotes de acero), o pueden ser excavados y vaciados en sitio (como normalmente ocurre con los de concreto armado).
La Figura 1, tomada de Atkinson (2007), ilustra algunas configuraciones típicas de pilotes. La parte a) muestra un pilote apoyado en un estrato de elevada rigidez, por lo que la mayor parte de su resistencia viene aportada por su punta; la parte b) corresponde a un pilote que resiste la carga predominantemente por la fricción entre el suelo circundante y su fuste, como muchas veces ocurre en terrenos que presentan espesores considerables de suelos compresibles y un estrato rígido muy profundo; la parte c) representa pilotes inclinados, instalados así para resistir cargas laterales importantes; y la parte d) muestra un grupo de pilotes, configuración que se emplea cuando las cargas transmitidas por la superestructura son muy elevadas para ser adsorbidas por un único elemento.
En la mayoría de los proyectos, las fundaciones profundas constituyen una solución que se aplica luego de analizar todas las alternativas posibles asociadas a cimentaciones superficiales, debido a que son más sencillas de construir y más económicas en la mayoría de los casos.
Figura 1 Configuraciones típicas de pilotes (Fuente: modificado de Atkinson, 2007).
Respecto a la parte económica, Coduto (2001) ofrece una regla de oro aplicable para el caso de edificios: usualmente, las fundaciones superficiales dejan de ser económicamente viables para un proyecto, cuando el área total de las fundaciones excede un tercio del área en planta del edificio. Sólo un número a tomar en cuenta para estimaciones preliminares, pero sirve para tener un buen orden de magnitud.
Mecanismo de transferencia de cargas pilote-terreno
El mecanismo de transferencia de cargas de un pilote al terreno, ha sido estudiado por numerosos investigadores a lo largo de los años, dada la elevada complejidad del tema. La Figura 2 muestra un pilote sometido a una carga Q, la cual es resistida por la fuerza en la punta o base Qb y por Qs, que es la fuerza por fuste debida al esfuerzo cortante que se genera entre el material del pilote y el terreno. Así, se tiene que:
Q = Qb + Qs
En la misma figura se observan las curvas carga-asentamiento, diferenciando las componentes aportadas por la base y por el fuste cuando el pilote es solicitado por una carga externa.
Figura 2 Resistencia de un pilote individual (Fuente: Atkinson, 2007).
Das (2012), señala que si la carga Q se incrementa de forma gradual (como es usual en la mayoría de los proyectos civiles), la resistencia por fricción máxima a lo largo del fuste se movilizará por completo cuando el desplazamiento relativo entre el suelo y el pilote sea del orden de 5 mm a 10 mm, con independencia del tamaño y de la longitud del pilote. Sin embargo, la resistencia por punta Qb no se movilizará hasta que la punta del pilote se haya movido aproximadamente entre el 10% y el 25% de su diámetro (el primer valor corresponde a pilotes hincados, y el segundo a pilotes excavados y vaciados en sitio).
Lo anterior implica que, a fin de que el pilote resista la carga, debe necesariamente moverse, asentarse. Esto puede resultar extraño para quienes piensan que los pilotes no se mueven, pero el caso es que siempre sufren alguna deformación. Y que, además, esa deformación es la que pone a funcionar, precisamente, su mecanismo de resistencia a la carga.
Aplicación práctica: prueba de carga en un pilote instrumentado
De acuerdo a lo anterior, la resistencia por fuste Qs se desarrolla por un desplazamiento considerablemente menor del pilote, respecto al necesario para desarrollar la carga por punta Qb A fin de analizar este hecho, vamos a revisar los resultados de una prueba de carga en un pilote, realizada en el lejano 1970 por Mansur & Hunter y reportada por Das (2012).
La parte a) de la Figura 3 muestra la curva carga-asentamiento obtenida para el pilote ensayado, cuyas principales características se muestran en la misma gráfica. La parte b), incluye información sobre la resistencia al fuste desarrollada para diferentes niveles de asentamientos, según lo reportado por los mencionados autores.
Figura 3 Resultados prueba de carga realizada por Mansur & Hunter (1970): a) curva carga-asentamiento; b) curvas de Qs movilizada para diferentes niveles de asentamiento (Fuente: modificado de Das, 2012).
En base a la parte b) de la figura anterior, para un asentamiento s = 2,5 mm resulta Q = 667 kN (aplicada en superficie), Qb,s2,5 = 93 kN y Qf,s2,5 = 574 kN. Así, relacionando estos valores con las resistencias totales por punta y por fuste obtenidas en la prueba, se tiene:
En base a estos resultados, resulta obvio que la resistencia por fuste se mobiliza mucho más rápidamente que la resistencia por punta.
Comprendido el mecanismo de transferencia de carga del pilote al terreno, es evidente la necesidad de estimar de manera adecuada los parámetros geomecánicos de diseño a emplear en el análisis de fundaciones profundas, a fin de obtener valores de la resistencia por punta y por fuste que sean realistas. Es por eso que en un próximo post revisaremos este tema…
Referencias
- Atkinson, J. (2007) “The Mechanics of Soils and Foundations”. Second Edition. CRC Press – Taylor & Francis Group. Abingdon, UK.
- Coduto, D. (2001) “Foundation Design: Principles and Practice”. Second Edition. Prentice Hall. New Jersey, USA.
- Das, B. (2012) “Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones”. Séptima Edición. CENGAGE Learning Editores, S.A. México D.F, México.
