Cómo diseñar una base de pilotes?
Una profunda Fundación, como una pila, es un miembro estructural que transmite cargas desde la superestructura hasta el lecho rocoso o una capa más fuerte de suelo. Pila es un tipo de base que puede ser de acero, hormigón, o madera. En términos de costo, Los costos de cimentación de pilotes son más altos que los de cimentaciones poco profundas.. A pesar de su costo, Los pilotes son a menudo necesarios por motivos de seguridad estructural.
¿Cuándo podemos usar Piles??
Suelos débiles
Si las capas superiores del suelo son demasiado débiles o muy comprimibles para soportar las cargas transmitidas por la superestructura, Los pilotes se utilizan para transferir estas cargas a una capa de suelo más fuerte o sobre un lecho de roca.. Los pilotes que transmiten cargas a un lecho rocoso se denominan pilotes portantes.. Este tipo de pilote se basa únicamente en la capacidad de carga del material subyacente en la punta del pilote.. Por otro lado, cuando el lecho de roca es demasiado profundo, Los pilotes pueden transmitir las cargas a través del suelo circundante gradualmente por fricción.. Este tipo de pilote se llama pilote de fricción..
Fuerzas horizontales
Los pilotes son una base más adecuada para estructuras sometidas a fuerzas horizontales.. Los pilotes pueden resistir acciones horizontales a través de la flexión mientras pueden transmitir fuerzas verticales desde la superestructura.. Esta es una situación típica para diseñar estructuras de retención de tierra y estructuras altas sometidas a fuertes vientos o fuerzas sísmicas..
Suelos expansivos o colapsables
La hinchazón o encogimiento de la tierra puede agregar una cantidad considerable de presión a la base.. Ocurre en suelos expansivos o colapsables debido al aumento o disminución del contenido de humedad.. También puede causar más daño para cimientos poco profundos.; en este caso, Las pilas se pueden usar para extender la base más allá de la zona activa o donde pueda ocurrir hinchazón y encogimiento..
Fuerzas de levantamiento
Las fuerzas de elevación se desarrollan como resultado de las presiones hidrostáticas., actividad sísmica, momentos de vuelco, o cualquier fuerza que pueda hacer que la base se extraiga del suelo. Es común en estructuras como torres de transmisión., plataformas costa afuera, y sótanos. En esta situación, Se considera que la cimentación de pilotes resiste estas fuerzas de elevación..
La erosión del suelo
La erosión del suelo en la superficie del suelo puede provocar la pérdida de la capacidad de carga del suelo, lo que puede dañar gravemente las estructuras con cimientos poco profundos..
¿Cómo estimamos la longitud de la pila??
La investigación del suelo juega un papel importante en la selección del tipo de pilote y la estimación de la longitud necesaria del pilote.. La estimación de la longitud del pilote requiere un buen juicio técnico sobre los datos geotécnicos del sitio.. Se puede clasificar según el mecanismo de transferencia de carga de la estructura al suelo.: (a) pilotes de apoyo. (b) pilas de fricción, y (c) pilotes de compactación.
Pilotes portantes
La capacidad de carga última del pilote portante depende de la capacidad portante del material subyacente en la punta del pilote.. La longitud necesaria de este tipo de pilote se puede estimar fácilmente determinando la ubicación del lecho de roca o una capa fuerte de suelo siempre que esté a una profundidad razonable.. Para casos en los que está presente un estrato duro en lugar de un lecho de roca, la longitud de la pila se puede extender unos metros más en la capa de suelo, como se muestra en la Figura 2b.
Pilas de fricción
Pilas de fricción (Figura 2c) se utilizan cuando la capa de lecho rocoso o el estrato duro no existe o se encuentra a una profundidad irrazonable. En ese caso, el uso de pilotes de apoyo se vuelve muy largo y antieconómico. La capacidad de carga máxima de las pilas de fricción se deriva de la fricción superficial desarrollada a lo largo de la pila y el suelo circundante.. La longitud de las pilas de fricción es relativa a la resistencia al corte del suelo., carga aplicada, y tamaño de la pila.
Pilotes de compactación
Las pilas de compactación son un tipo de pilas que se conducen a través de suelos granulares para lograr una compactación adecuada del suelo cerca de la superficie del suelo.. La longitud de las pilas de compactación depende principalmente de la densidad relativa antes y después de la compactación., y la profundidad de compactación requerida. Las pilas de compactación son generalmente más cortas que los otros tipos de pilas.
Mecanismo de transferencia de carga para pilotes
Considere una pila cargada con longitud L y diámetro D, como se muestra en la figura 2. La carga Q sobre el pilote debe ser resistida principalmente por el suelo en la parte inferior del pilote Qpag., y en parte por la fricción de la piel desarrollada a lo largo del eje Qs. Generalmente, la capacidad de carga máxima (Qu) de un pilote se puede representar por la suma de la carga resistida en la punta del pilote y la carga resistida a través de la fricción de la piel, o como se muestra en la ecuación 1.
Qtu = Qpag + Qs (1)
Qtu = Capacidad de carga máxima
Qpag = Capacidad de carga del cojinete de extremo
Qs = Resistencia a la fricción cutánea
sin embargo, para pilotes portantes, La carga Q es resistida principalmente por el suelo debajo de la punta del pilote y la resistencia a la fricción de la piel es mínima.. Por otro lado, la carga Q en los pilotes de fricción se resiste principalmente solo por la fricción de la piel en lugar de la capacidad de carga del extremo Qpag. Las capacidades de carga máxima para los pilotes de fricción y los cojinetes de extremo están en ecuaciones 2 y 3, respectivamente.
Qtu ≈ Qpag (2)
Qtu ≈ Qs (3)
¿Cómo diseñamos pilotes??
El diseño y análisis de cimientos profundos como pilotes es de alguna manera una forma de arte debido a todas las incertidumbres involucradas en la interpretación de datos geotécnicos.. Aunque se realizaron numerosos enfoques teóricos y experimentales para analizar el comportamiento y estimar la capacidad de carga de pilotes en varios tipos de suelo, pero aún, todavía tenemos mucho que entender sobre el mecanismo de cimentación de pilotes. por suerte, con el avance de la ingeniería estructural, hay varios software que podemos usar para minimizar estas incertidumbres y reducir el tiempo de cálculo.
Los siguientes son algunos de los procesos que podemos seguir para diseñar una cimentación de pilotes:
Datos de informes geotécnicos
Como se discutió anteriormente, datos de diseño previos a la cimentación, como el tipo de pila, longitud, y tamaño, están predeterminados en función de los datos del informe geotécnico. Algunos de los parámetros críticos que son necesarios para el posterior diseño y análisis de cimientos de pilotes son los tipos de suelo, unidad de peso, resistencia a la cizalladura, módulo de reacción de la subrasante, y datos de aguas subterráneas
Análisis estructural
Los desarrollos recientes en ingeniería estructural incluyen software de diseño estructural que tiene como objetivo mejorar nuestras habilidades como ingenieros estructurales y producir diseños seguros., especialmente con estructuras complejas. Hay varios software FEA que podemos usar para modelar nuestras estructuras y generar reacciones., fuerzas de corte, y momentos flectores de los soportes de la superestructura. Los datos resultantes se utilizarán luego para el diseño y análisis de cimientos..
Diseño de cimientos
Similar al software FEA que usamos para analizar y generar reacciones de soporte de la superestructura., También hay numerosos programas de diseño de cimientos que podemos utilizar para diseñar cimientos de pilotes de acuerdo con diferentes códigos de diseño.. (Nota: para una calculadora simplificada, prueba nuestro gratis calculadora de zapata de hormigón).
El software de diseño de cimientos para pilotes requiere varias entradas para realizar verificaciones de diseño.. Incluye datos de geometría, perfiles de suelo, propiedades del material para refuerzos de hormigón y acero, diseños de refuerzo, parámetros de diseño especificados por los códigos de diseño, y los datos de reacción exportados desde el software de análisis estructural.
Algunas de las comprobaciones de diseño estándar que se realizan para el diseño de cimientos de pilotes:
Verificación de capacidad geotécnica se completa cuando la capacidad de carga final del suelo se determina dividiendo las cargas verticales aplicadas por la capacidad de carga del suelo. La relación no debe exceder un valor de 1.0. Los pilotes cargados lateralmente también se controlan mediante la estimación de los valores de las cargas laterales máximas y admisibles..
Verificaciones de capacidad estructural se realizan determinando axiales, el cortante, y capacidades de flexión de acuerdo con el código de diseño elegido. Aunque para una base de pilotes, Es más probable que ocurra una falla geotécnica que una falla estructural, Todavía es necesario realizar esta verificación por medidas de seguridad..
Mejoramiento
Un ingeniero estructural siempre debe priorizar la seguridad en el diseño de cualquier tipo de estructura.. sin embargo, los ingenieros también pueden optimizar su diseño experimentando con diferentes tamaños de pilotes, y diseños de refuerzo, lo que da como resultado una cantidad total reducida de materiales y el costo total de la estructura sin comprometer la seguridad y manteniendo los estándares mínimos requeridos por el código.
Resumen
El proceso de diseño de cimientos de pilotes generalmente implica una buena interpretación de los datos geotécnicos del sitio., modelado y análisis de la superestructura a través de un software FEA, generar reacciones de apoyo, controles de diseño de cimientos, y optimización para llegar a un diseño seguro y económico.
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