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PILOTAJES
Profesor: Ing. Daniel E. Weber
J.T.P.: Ing. Sebastián Romero
Ayudante: T.C.N. Adrián San Martín
Cimentaciones U.T.N. – Facultad Regional Santa Fe – 2011
Pilotajes:
Un pilotaje es una cimentación constituida por una zapata o cabezal, que se apoya sobre un grupo de pilotes o columnas, que se introducen profundamente en el terreno, para transmitir su carga al mismo.
Los pilotajes se emplean:
• cuando el terreno resistente está a profundidades mayores de los 5 ó 6 mts.;
• cuando el terreno es poco consistente hasta una gran profundidad.
• cuando existe una gran cantidad de agua en el terreno.
• cuando hay que resistir acciones horizontales importantes.
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Tipos de pilotes y pilotajes:
Los principales tipos de pilotes de Hº son los siguientes:
• Pilotes prefabricados, que se hincan en el terreno mediante máquinas del tipo martillo.
• Pilotes moldeados in situ, en perforaciones realizadas mediante sondas rotativas.
• Pilotes mixtos, realizados a partir de una perforación que se ensancha posteriormente inyectando Hº a presión, o hincando pilotes prefabricados de mayor sección que la perforación.
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Tipos de pilotes y pilotajes:
Las Zapatas o Cabezales que arriostran los grupos de pilotes, constituyendo los pilotajes pueden ser individuales, para cimentar un pilar, y continuas, para cimentar un grupo de pilares alineados o un muro.
Los cabezales pueden ir arriostradas entre si por vigas, que rigidizan el conjunto.
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Capacidad de carga de un pilote y de un pilotaje:
Por su forma de trabajo, los pilotes se pueden clasificar en:
• Pilotes columna, en los que la punta se apoya en un terreno firme (arena compacta, grava, arcilla dura, roca, etc.) y trabajan predominantemente de punta.
• Pilotes flotantes, son los que se apoyan en limos o arcillas fluidas y trabajan por rozamiento lateral del fuste. Se construyen grupos de 3 o 4 pilotes.
Capacidad de carga de un pilote y de un pilotaje:
La capacidad de carga de un pilote es la suma de la resistencia de punta y su resistencia por rozamiento.
En suelos sin cohesión (arenas), la carga de hundimiento de un pilote aislado puede estimarse mediante:
Para pilotes hincados
Para pilotes perforados
50An
An4N Lmpu
⋅+⋅⋅=
100An
An4N Lmpu
⋅+⋅⋅=
Métodos para determinar la capacidad de carga: Vesic (1977), Meyerhof (1976), Jambu (1976).
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Capacidad de carga de un pilote y de un pilotaje:
Mientras que en suelos cohesivos (arcillas puede estimarse mediante la fórmula:
Siendo:
n: resultado del ensayo de penetración normalizado (NSPT), bajo la punta del pilote. El valor de N es proporcional a la resistencia de la arena, pudiendo variar de n = 4 para arena suelta a n = 50 para arena densa.
nm: valor medio del ensayo SPT a lo largo del fuste.
Ap: área de la punta
AL: área lateral del fuste
cu: Valor de la cohesión del suelo
ca: valor de la adherencia suelo-fuste. Para arcillas blandas, puede tomarse ca = cu; para arcillas medias a duras debe tomarse ca = 0,3 cu. En ningún caso se debe tomar ca > 1,0 Kp/cm2.
Lapuu AcAc4N ⋅+⋅⋅=
Capacidad de carga de un pilote y de un pilotaje:
La carga admisible de un pilote aislado es función de la carga de hundimiento y de la deformabilidad del terreno y de la capacidad de deformación de la estructura cimentada.
El coeficiente de seguridad frente al hundimiento no debe tomarse inferior a 3 para acciones normales ni a 2 para acciones extraordinarias.
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Capacidad de carga de un pilote y de un pilotaje:
El mejor procedimiento para estimar la carga admisible es un ensayo de carga.
Para los pilotes hincados se utiliza la fórmula:
Siendo:
Nadm: carga admisible para el pilote
G1: peso de la maza.
G0: peso del pilote
h: altura de caída de la maza al final de la hinca, en m.
s: rechazo del último golpe de la maza en mm.
01
11.adm GG
Gs6hG
N+
⋅⋅⋅=
Cálculo de esfuerzos en los pilotes:
En el caso de los pilotajes isostáticos, las cargas en los pilotes se obtienen descomponiendo la carga F en vectores que actúan según el eje de los pilotes.
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Cálculo de esfuerzos en los pilotes:
La carga de un pilote cualquiera de coordenadas (xi, yi), respecto al centro de gravedad del pilotaje es:
Siendo:
Niz: carga de un pilote producida por una carga vertical F
Fz: carga vertical (incluyendo el peso propio)
ex ; ey: excentricidades de dicha carga.
Ix: momento de inercia del pilotaje respecto al eje OX
Iy: momento de inercia del pilotaje respecto al eje OY
n: número de pilotes verticales iguales
Un pilotaje cuyos pilotes sean verticales, sometido a cargas verticales, es en general hiperestático si tiene más de 3 pilotes no alineados.
⋅+⋅+⋅=
x
iy
y
ixziz I
ye
Ixe
n1
FN
Cálculo de esfuerzos en los pilotes:
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Cálculo de esfuerzos en los pilotes:
En el caso que sea necesario resistir una fuerza horizontal Fα, bastará con inclinar alguno de los pilotes un ángulo βi con respecto a la vertical:
Entonces los pilotes inclinados tomarán cargas:
Y serán capaces de suministrar las componentes horizontales necesarias para absorber Fα.
∑ α=β⋅ FtgN iiz
i
izi cos
NN
β=β
Cálculo de esfuerzos en los pilotes:
La carga total de un pilote se obtiene sumando a la carga transmitida por el cabezal, el peso propio del pilote y el rozamiento negativo. Este se presenta en pilotes columna situados en terrenos compresibles y es:
⋅γ+⋅⋅=
2L
qu25,0R2
0
Siendo:
u: perímetro del pilote
q0: sobrecarga unitaria en la superficie del terreno.
L: longitud del pilote.
g:peso específico del terreno
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Dimensionamiento de pilotes:
Para determinar la longitud de un pilote, se tendrá en cuenta, si trabaja por punta, la profundidad del estrato resistente.
El pilote deberá penetrar unos 5 diámetros y no menos de 2,50 m en el estrato.
Si el pilote trabaja por rozamiento, su longitud se determinará en función de su resistencia.
Las longitudes más frecuentes de pilotes son de 10 a 15 mts, llegándose a los 30 mts.
Capacidad de carga de un pilote y de un pilotaje:
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Dimensionamiento de pilotes:
La sección del pilote se establece por consideraciones resistentes. En pilotes excavados la sección suele ser circular. En pilotes hincados se emplea la sección cuadrada, de mayor inercia y perímetro, a igualdad de área.
Las secciones más frecuentes son de 40 a 60 cm de diámetro (para excavados), llegando a 150-200 cm de gran diámetro y de 30 a 45 cm de lado (para los hincados).
Dimensionamiento de pilotes:
Los esfuerzos a considerar en el dimensionamiento son:
• la carga axial y los esfuerzos secundarios (momentos flectores y esfuerzos de corte) transmitidos por el cabezal.
• el peso propio.
• el rozamiento negativo, si lo hay.
• los posibles empujes horizontales del terreno.
• en pilotes prefabricados, los esfuerzos de transporte y manejo.
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Dimensionamiento de pilotes:
Los esfuerzos a considerar en el dimensionamiento son:
• en los pilotes hincados, las acciones dinámicas durante la hinca.
• En los pilotes que trabajan por punta, los esfuerzos de pandeo. Como longitud de pandeo deberá tomarse la longitud enterrada, en suelos de poca resistencia; 2/3 de la misma, en suelos de consistencia media y 1/3 en suelos de buena consistencia.
Dimensionamiento de pilotes:
Los pilotes llevan armaduras longitudinales y transversales.
Las longitudinales son barras rectas, en número no menor de 6 para sección circular y 4 para sección cuadrada.
Su diámetro debe ser como mínimo de 12 mm.
En pilotes prefabricados es conveniente que sean de una pieza y la cuantía geométrica no debe bajar del 0,5 %.
El recubrimiento libre mínimo debe ser de 5 cm en pilotes hormigonados in situ, y puede ser algo menor en pilotes prefabricados.
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Dimensionamiento de pilotes:
Las barras transversales son estribos o hélices de diámetro del orden de los 2/5 del de las longitudinales y no menor de 6 mm.Las separación de los estribos o paso de la hélice no debe superar 12 veces el diámetro de las barras longitudinales ni los 30 cm.
En el caso de los pilotes hormigonados in situ la jaula de armaduras que se introduce en la perforación debe llevar los estribos bien sujetos.
En los pilotes prefabricados la zona de la cabeza debe reforzarse para la hinca juntando los estribos a 5 cm. en una longitud aproximada a 1,00 m. y la punta con un azuche metálico adecuado al terreno que se trate.
Dimensionamiento de pilotes:
Las tensiones de trabajo para las que se dimensionan las armaduras deben ser reducidas. Se recomienda que la tensión de compresión del hormigón no supere el valor de 0,25 fc y en el acero no pase de 0,35 fy.
Los pilotes que puedan estar sometidos a tracción, deben dimensionarse para un esfuerzo igual a 1,5 veces la tracción máxima, considerando solo la armadura longitudinal trabajando a una tensión de 0,5 fy.
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Dimensionamiento de pilotajes:
Para la cimentación de una obra es frecuente adoptar un determinado tipo de pilote con una carga admisible dato.
Es necesario proyectar la disposición de los pilotes bajo las distintas zapatas que deben sustentar los muros y pilares de la obra, y dimensionar las zapatas.
El número de pilotes bajo cada zapata viene fijado por consideraciones resistentes.
Como mínimo debe adoptarse 3 para zapatas aisladas que soportan un pilar, si no están arriostradas transversalmente, en cuyo caso puede bajarse a 2.
Una zapata continua deberá apoyarse en dos filas de pilotes.
Dimensionamiento de pilotajes:
Cuando existan cargas horizontales, deberá colocarse pilotes inclinados, capaces de resistirlas.
La forma y dimensiones en planta de las zapatas o cabezales, dependen del número de los pilotes, de las dimensiones de éstos y de su separación.
La separación mínima entre ejes de pilotes debe ser de dos veces el diámetro de los mismos (1,75 veces la diagonal, si son cuadrados) y no menor de 75 cm.
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Dimensionamiento de pilotajes:
La altura de la zapata o cabezal, se fija por consideraciones económicas en función de las cargas y dimensiones.
Para calcularlo como rígido es necesario que sea l ≤ 1,5h No debe ser menor de 30 cm. Los pilotes deberán empotrarse en el cabezal 10 cm. y éste deberá sobresalir un mínimo de 20 cm. sobre el borde de los pilotes.
Dimensionamiento de pilotajes:
Las zapatas bajo pilares y muros de Hº deben llevar armaduras en espera, iguales a las armaduras de éstos, incluyendo estribos. La longitud del solape, debe ser de 30 diámetros.
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Dimensionamiento de pilotajes:
Para el dimensionamiento de la armadura principal de tracción, se utiliza el método de las bielas.
Consiste en suponer que las cargas se transmiten del pilar a los pilotes, por medio de bielas oblicuas que se forman en el Hº de la zapata.
Dimensionamiento de pilotajes:
En el caso de dos pilotes, el ángulo de las bielas se deduce de la relación:
2a
l
d2tg
4a
2l
dtg
4a
2a
2l
dtg
4a
2al
dtg
1
1
11
11
−
⋅=α
−=α
+−=α
+−=α
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Dimensionamiento de pilotajes:
α⋅⋅=⋅
==α
tgN2N
N2N
N2
N
tg
sd
s
d
s
d
−⋅⋅
=
−
⋅⋅=
α⋅=
=
2a
ld4
NU
2a
l
d22
NU
tg2N
U
NU
1d
1
d
d
s
Capacidad de la armadura: U
Dimensionamiento de pilotajes:
−⋅⋅
=
⋅=
−⋅
⋅=
−⋅
⋅=
+−⋅
⋅=
+
−⋅
2a
ld4
NU
dU2a
l4
N
dU4a
2l
2N
dU4a
2a
2l
2N
dU4a
2al
2N
1d
1d
1d
11d
11d
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Dimensionamiento de pilotajes:
α⋅⋅=σ
α⋅⋅α=σ
α⋅=σ
α=
=α
211
dc
11
d
c
c
d
d
senbaN
senbasenN
senAX
senN
X
XN
sen
α
NdX
a1b1
Columna
Cabezal
Biela α
90º-α
( ) α⋅=α−⋅ senaº90cosa 11
Nd
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