Tipos de Pilotes y su capacidad de Resistencia.

La capacidad resistente de un pilote, referida a las cargas que soporta como miembro estructural, depende de la calidad de los materiales usados, el tipo de solicitación Impuesta y las dimensiones de su secci6n transversal. Como criterio general, la siguiente tabla da los valores promedio de las cargas de servicio para algunos pilotes y su longitud usual.

En todos los casos, H corresponde a la altura enterrada del pilote, en contacto con el suelo. La f igura siguiente da algunos valores promedio de la capacidad portante de los diferentes tipos de pilotes.

Según la forma de trabajo, los pilotes se clasifican en:

-Trabajando por punta
-Resistiendo por fricción lateral
-Por punta y fricción simu1tneas

Los pilotes trabajan por punta cuando están ubicados en un estrato poco apto para resistir cargas, pero su altura alcanza un estrato resistente, de modo que su comportamiento es similar al de una columna, transmitiendo las cargas de la superestructura, directamente por compresión, al suelo firme. Ver la figura siguiente. 

Los pilotes trabajan por fricción cuando el suelo resistente se halla muy profundo y el pilote debe “flotar” en un estrato de gran espesor con escasa capacidad portante, de modo que lascar as transmitidas por la estructura son soportadas principalmente por fricción lateral o adherencia entre el suelo y las caras del pilote en toda la altura del fuste. (Esquema b).

En suelos intermedios, con una cierta capacidad portante, la resistencia total del pilote resulta la suma de la resistencia por punta y por fricci6n.
Según la seccj6n transversal, los pilotes pueden ser:

                                Cuadrados
*Huecos o macizos:  Circulares
                                 Poligonales
*En  I o H

Algunas secciones típicas se muestran la siguiente figura.

Según el perfil longitudinal, los pilotes pueden ser:

-De sección uniforme

-Troncos cónicos

-Escalonados

-De bulbo

Los de sección uniforme son los más comunes. Los troncocónicos permiten un fácil hincado pero tienen la tendencia a hundirse con el paso del tiempo, debido a su forma de cuña. Son pilotes que trabajan por fricción. Los pilotes escalonados, llamados también telescópicos, pueden construirse por tramos, para una más fci1 ejecución. Por ultimo, los pilotes de bulbo son los que presentan un ensanchamiento en la base, que mejora notablemente su resistencia por punta. Ver la figura siguiente.

Si bien los pilotes son piezas muy esbeltas, que alcanzan grandes alturas, en general no pandean salvo en casos excepcionales, como cuando el suelo que los circunda es excesivamente blando, por ejemplo las arcillas saturadas. En otros tipos de suelos, la experiencia ha demostrado que el soporte lateral que brinda el terreno es tan efectivo, que los pilotes en todo momento mantienen su estabilidad y alineamiento del fuste bajo las cargas de servicio, por lo cual se diseñan como columnas cortas, sin tomar en cuenta el efecto que la esbeltez ejerce sobre su capacidad resistente.

PILOTINES O MICROPILOTES empleados en la Construcción.

Los pilotines son pilotes cortos y de pequeño diámetro, conocidos también por estacas o palos raíz, que se usan generalmente para estabilizar taludes, o en recalce y refuerzo de edificios que han comenzado a sufrir asentamientos, por estar sustentados en suelos blandos y compresibles.

Los micropilotes trabajan por punta y por adherencia, distribuyendo a lo largo de su altura las presiones laterales que ejercen los bulbos de presiones de las bases directas existentes, y a las cuales apuntalan. Se los puede colocar verticales o inclinados, y de su distribuci6n como las raíces de un árbol, deriva su nombre. Ver figura 12.1. 

Figura 12.1

Usualmente los pilotines se materializan en madera, con secciones de 10 a 15 cm de diámetro y alturas de hasta 10 m, o metálicos, empleando tubos-forma con diámetro no superior a los 20 cm, los cuales se hacen penetrar por rotaci6n o barrenado en el suelo, hasta alcanzar la profundidad necesaria, por debajo de los cimientos de los edificios que deben ser reforzados. La carga admisible usual por micropilotes de 2O t.

Cuando se ha finalizado el barrenado en el terreno, se introduce dentro del tubo forma un perfil de acero, como alma del pilotin, y luego se procede a inyectar un mortero a presión, extrayendo simultáneamente el tubo forma recuperable. El mortero a usar debe tener una elevada dosificaci6n de cemento y adecuados aditivos para otorgarle suficiente resistencia y fluidez.

A medida que se va inyectando mortero en el tubo forma, éste penetra también en el suelo circundante y rellena los huecos, dando forma a una masa de mayor volumen, con perfil rugoso que incrementa la adherencia con el terreno y la resistencia a fricción del fuste. Cuando el espacio necesario para colocar los pilotines es limitado, por ejemplo cuando se debe trabajar dentro de un edificio construido, se deben aplicar técnicas especiales que permiten hincarlos o barrenarlos por tramos cortos acoplables, ayudándose para el avance de los mismos, con aire comprimido o gas a presión, según la naturaleza del suelo.

FUNDACIONES PROFUNDAS: Pilotines, Pilotes y Pilas en la Construccion

Cuando los estratos superficiales del suelo de fundación no son lo suficientemente resistentes para soportar las cargas impuestas por las bases directas de la superestructura, se pueden - producir:

* Asentamientos locales excesivos e inadmisibles
* Falla del suelo, al superar su capacidad portante

Para solucionar este problema, se deben buscar estratos profundos más firmes, de modo de transmitir a ellos las cargas actuantes, mediante fundaciones indirectas o profundas, las cuales se pueden clasificar en:

a) Pilotines (10 cm <= D <= 20 cm)
b) Pilotes (20 cm < D <=80 cm) D es el diámetro de su sección
transversal
c) Pilas (80 cm < D <=  220 cm)

Entra las funciones básicas que cumplen las fundaciones indirectas se pueden mencionar:

1) Transmitir, trabajando por punta, como una columna, las cargas de la superestructura, hasta un estrato firme del subsuelo.
2) Distribuir cargas concentradas de gran magnitud, por adherencia o fricción, en suelos homogéneos de espesor considerable.
3) Densificar y compactar suelos sueltos sin cohesión, incrementando su resistencia
4) Resistir cargas horizontales o inclinadas, debidas al viento, sismo, o empujes actuando sobre la superestructura.
5) Anclar estructuras, evitando que se inclinen o vuelquen

6) Controlar los asentamientos, cuando los suelos son compresibles o expansivos
7) Transmitir las cargas de las estructuras marítimas o fluviales hasta el suelo firme, por debajo del nivel de las aguas.
8) Proteger la cimentación de los daños producidos por la socavaci6n en el lecho de lagos, nos o mares
9) Formar pantallas impermeables, colocarlos en fila, en contacto entre si, o tablestacas - para resistir el empuje lateral de tierras o del agua, actuando como muros de contención o presas temporales
10) Estabilizar taludes, evitando el deslizamiento de laderas y controlar los movimientos del terreno
11) Drenar los suelos arcillosos, para consolidarlo, e incrementar su capacidad portante.

El análisis y diseño de las fundaciones profundas debe cumplir con los siguientes requisitos:

-Asegurar la estabilidad y funcionalidad de las fundaciones durante toda la vida útil de -la superestructura.
-Obtener una soluci6n razonablemente económica.
-Lograr una forma sencilla de ejecución, en un plazo lo mas breve posible.

Cuando las condiciones del suelo son tales que es necesario el uso de pilotes, la elección mas adecuada de los mismos involucra tomar en consideración diversos factores, tales como las características del subsuelo, las profundidad necesaria, la magnitud de las cargas impuestas, el espaciamiento, métodos de ejecución, dimensiones, etc.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el análisis de las fundaciones, conjuntamente con los principios de la mecánica e suelos, no se ajusta a reglas fijas ni ecuaciones matemáticas exactas, sino aproximadas, y que el terreno es un medio elástico heterogéneo, del cual se obtienen sólo datos cercanos a la realidad y variables con el tiempo.

El análisis y diseño de los pilotes que se detalla en el presente capitulo se aplica a unidades aisladas, pero en la practica los pilotes se agrupan en cabezales conectados entre si median te vigas de riostra, lo cual forma un conjunto cuya efectividad varia en relación a la del pilote único.

Zapatas para dos Columnas.

Es aconsejable diseñar  las  zapatas  combinadas  de modo que  el  centroide  del área de  la zapata  coincida con  la resultante de  las cargas de  las dos columnas. Esto produce una presión  de contacto uniforme sobre la totalidad del área y evita la tendencia a la inclinación de la zapata. Vistas en planta, estas zapatas son rectangulares, trapezoidales  o en  forma de T,  y  los  detalles  de  su forma  se acomodan  para
que coincidan  su centroide  y el de  la resultante. Las  relaciones  sencillas  de  la figura  16.14  facilitan la determinación  de  la  forma  del área  de  contacto. En  general,  las distancias m y n están  dadas, siendo la primera la distancia desde el centro de  la columna exterior hasta el límite  de  la propiedad y  la  segunda  la distancia desde  esta  columna  hasta  la resultante de  las cargas de las dos  columnas.

Otro  recurso que  se utiliza cuando  una zapata  sencilla  no puede centrarse bajo una  columna exterior, consiste  en  colocar  la  zapata  para  la columna  exterior  en  forma excéntrica  y  conectarla  con  la  zapata de  la columna  interior más  cercana mediante  una ,viga o una banda  de  amarre. Esta viga  de amarre,  al  estar balanceada por  la carga de  la columna  interior,  resiste la tendencia  a  la inclinación  de  la zapata exterior excéntrica  e  iguala las  presiones  bajo ésta. Este  tipo de  cimentaciones se conoce como  zapatas  con vigas  de amarre,  en  voladizo  o conectadas.

 FIGURA 16.14  Zapatas para dos columnas.

Cimentaciones Continuas, Reticulares y Losas de Cimentación.

En el caso de columnas  sometidas a cargas considerables, en particular si están soportadas por suelos relativamente blandos o poco uniformes,  se recurre a la utilización de cimentaciones continuas.  Éstas pueden ser zapatas  continuas, que soportan  todas  las columnas  en determinada  fila, o dos  conjuntos  de  estas zapatas  en franjas que se  intersectan formando ángulos rectos, de modo que  conformen una  cimentación reticular  continua  . Para cargas  aun mayores  o  suelos más blandos, las  franjas  se  traslapan obteniéndose una  losa de cimentación.

Para el diseño de estas cimentaciones  es necesario hacer suposiciones razonablemente realistas con respecto a  la distribución  de  las presiones  de  contacto que actúan  como cargas  hacia arriba sobre la cimentación.  Para  suelos compresibles,  es posible  suponer  como una primera  aproximación que  la deformación  o asentamiento  del suelo en determinado  sitio  y la presión de contacto en el mismo  son proporcionales  entre  sí. Si  las columnas  se encuentran  espaciadas  a distancias moderadas  y  si  la  cimentación continua o reticular o la losa de cimentación es muy rígida, los asentamientos en todos los puntos de  la cimentación  serán  esencialmente  los mismos. Esto  significa que  la presión  de  contacto, también  conocida como  reacción de  la subrasante,  será  la misma siempre y cuando  el  centroide de  la cimentación coincida con la resultante  de  las  cargas. Si esto no  sucede,  entonces  en  estas  cimentaciones rígidas  la reacción de  la subrasante puede suponerse  que  varía  linealmente y  se determina mediante estática,  de  la misma manera que para zapatas  individuales  En este  caso  se conocen todas  las cargas,  tanto las de columna hacia abajo como las presiones de contacto hacia arriba. En consecuencia,  los momentos  y  las fuerzas  cortantes en  la cimentación  pueden determinarse mediante estática. Una vez que  se determinan  estos valores, el diseño de  la cimentación  continua o reticular es similar al de las vigas continuas  invertidas y  el de  la  losa de cimentación equivale  al de  losas  o placas planas  invertidas.

De otra parte,  si la cimentación  es  relativamente  flexible y  el espaciamiento  entre  columnas  es considerable, los  asentamientos no podrán considerarse  uniformes  o  lineales. De un  lado, las columnas sometidas  a mayores  cargas producirán asentamientos mayores  y, por  consiguiente, mayores reacciones  de  la  subrasante que  las columna con poca carga. Asimismo,  puesto  que  la  franja o  losa continua  se deflecta  hacia arriba  a medio  camino entre  columnas  con respecto a  las columnas más  cercanas,  esto significa  que el asentamiento  del suelo  y, por tanto,  la reacción  de la subrasante, serán menores en  la zona central  entre  columnas  que  directamente bajo éstas. Esto  se presenta en  forma  esquemática en  la figura  16.20. En  este  caso,  la reacción  de  la subrasante  ya no es uniforme. De manera  similar, las losas de  cimentación  requieren métodos  alternos  de análisis, dependiendo  de  si pueden o no  considerarse como rígidas para  el  cálculo  de  la reacción del suelo.

Se han establecido criterios para  cuantificar  la rigidez  relativa de  la estructura  en  comparación con  la rigidez  del suelo. Si  la rigidez  relativa  es baja,  la cimentación debe diseñarse  como un elemento flexible con una reacción no  lineal hacia arriba del suelo. Para zapatas corridas,  puede  realizarse  un análisis  razonablemente  preciso pero  algo complejo, mediante  la teoría de  vigas  sobre fundaciones  elásticas.  Kramrisch

ha  sugerido procedimientos  simplificados, con base  en  la  suposición de que  las presiones  de  contacto

varían  linealmente  entre  puntos  de  carga,  tal  como  se indica  en  la figura  16.20.

Para  losas  de  cimentación  no  ngidas, se han  realizado avances  importantes  en  el análisis utilizando  el método de  los  elementos  finitos, el cual puede considerar  de manera específica  la rigidez de  la estructura y  del  suelo. Existe una  gran cantidad de programas  de  computador  disponibles  (por  ejemplo, PCA-MATS, Portland Cement Association, Skokie,  Illinois) basados  en el método  de  los  elementos finitos,  los cuales permiten la realización rápida de modelos  y el análisis para zapatas combinadas, franjas  de  zapatas  y  losas  de  cimentación.

Zapatas para Columnas: Diseño y Construcción.

En planta,  las  zapatas para  columnas individuales  son  en  general cuadradas. Se utilizan  zapatas rectangulares cuando las restricciones  de  espacio  obligan a esta selección o si  la  columna apoyada tiene una sección transversal rectangular bastante  alargada. En  su forma más  simple, constan  de  una  losa sencilla (ver  la  figura 16.5a).

Otro  tipo es  el que  aparece  en  la  figura 16.5 b  donde se  interpone un pedestal o dado entre  la columna y  la  losa de  la zapata; el pedestal proporciona una transferencia de  carga más favorable  y  en muchos casos  se requiere con el fin  de  suministrar  la  longitud de  desarrollo necesaria para los  bastones. Esta  forma  se  conoce también como  una  zapata  escalonada. Todas  las partes de  una zapata escalonada deben vaciarse  en  la misma colada, con el  fin de proveer una acción monolítica.

Algunas veces se utilizan zapatas acarteladas como las de la figura 16.5 c.  Éstas consumen menos concreto que las zapatas escalonadas, pero  la mano de obra adicional necesaria para producir las superficies  acarteladas  (formaletas,  etc.) hace que  las  zapatas  escalonadas  sean  casi  siempre más económicas. En  general, las zapatas  de  losa sencilla (ver  la  figura 16.5a)  son las más  económicas  para alturas de  hasta 3  pies.

Las zapatas para columnas individuales  representan voladizos  que  se proyectan hacia afuera desde la columna  en  las dos  direcciones y  cargados  hacia arriba con  la presión del  suelo. En  la  superficie inferior  se producen los correspondientes esfuerzos  de  tensión  en  estas dos direcciones. En  consecuencia, estas zapatas  se  refuerzan mediante dos capas  de  acero perpendiculares  entre  sí y  paralelas  a los bordes.

El  área requerida de  contacto  se  obtiene dividiendo  la carga total, que  incluye el peso propio de la zapata, por la presión de  contacto  seleccionada. En  esta etapa debe  estimarse  el peso  de  las zapatas que generalmente está entre un cuatro por ciento y un ocho por ciento de  la carga de  la columna, intervalo  en el que el primer valor  es aplicable  a  los tipos de  suelo más fuertes.

Al calcular los momentos flectores y  los cortantes, únicamente se considera la presión hacia arriba qu, generada por  las cargas mayores  de  la  columna. El  peso mismo de  la zapata no produce momentos ni cortantes, al igual  que no existen, obviamente, momentos ni cortantes en un  libro que descansa sobre  la  superficie  de  una mesa.

 FIGURA 16.5  Tipos de zapatas para columnas individuales.

Zapata para Muros.

Los principios  elementales  del  comportamiento  de  vigas se aplican a zapatas para muros con algunas modificaciones  menores.  La  figura 16.4 ilustra  las  fuerzas  que  actúan sobre una zapata para muro; si  los momentos flectores se calcularan  a partir de estas fuerzas, el máximo momento se presentará en la mitad del  ancho. En  realidad, la muy alta  rigidez  del muro modifica esta  situación demuestran que, para  zapatas bajo muros  de  concreto,  es  satisfactorio  calcular el momento  en  la  cara  del muro .  En  estos  ensayos  se  formaron grietas  de  tensión  en  los sitios indicados  en  la figura 16.4, es decir, bajo la  cara del muro, en vez  de presentarse en  la mitad del  ancho.

 FIGURA 16.4  Zapata para muro.