Cálculo de pilotes de cimentación

1.- INTRODUCCIÓN

Se emplea cimentación profunda cuando la ejecución de una cimentación superficial no es técnicamente viable. Se considera que una cimentación es profunda si su extremo inferior, en el terreno, está a una profundidad superior a 8 veces su diámetro o ancho.

Normativa de aplicación.

  • Código técnico de la Edificación
    Documento básico Seguridad Estructural (CTE- DB SE)
    Documento básico Seguridad Estructural Cimientos (CTE- DB SE-C)
  • Instrucción de Hormigón Estructural (EHE-08)

Tipos de pilotes considerados.

  • Pilotes hormigonados "in situ"

    Se ejecutan en excavaciones previas realizadas en el terreno. Tienen sección circular.

  • Pilotes prefabricados hincados

    El pilote se introduce en el terreno sin hacer excavaciones previas que faciliten su alojamiento en el terreno.

    La forma de la sección transversal del pilote podrá ser circular o casi circular (cuadrada, hexagonal u octogonal) de manera que no sea difícil asimilar la mayoría de los pilotes a elementos cilíndricos de una cierta longitud L y de un cierto diámetro D. En pilotes de acero se pueden utilizar secciones tubulares o perfiles en doble U o en H.

    La asimilación a cilindros se hace de acuerdo con los siguientes criterios:

    • a) Para evaluar la capacidad portante por la punta, se hace la equivalencia igualando las áreas de la sección transversal, esto es:
      Deq = (4·A/π)0.5, siendo A la sección transversal del área de apoyo.
    • b) Para evaluar la resistencia por fuste, se hace la equivalencia en la longitud del contorno de la sección, L, esto es:
      Deq = L/π
    • c) En pilotes metálicos en H o en doble U, la longitud de contorno que se toma es igual al doble de la suma del ancho del ala más el canto.

2.- ACCIONES CONSIDERADAS

  • Acciones de la estructura sobre la cimentación

    Se considera el caso más frecuente de pilote en compresión centrada, bien porque la solicitación es de este tipo o porque se cumplen las siguientes condiciones:

    • El encepado que une los pilotes es rígido. En estos casos el pilote se considera articulado en cabeza, sin momento flector.
    • La máxima componente de los empujes horizontales en base de pilar es inferior al 10% de la carga vertical simultánea con ella.

    En el caso que la excentricidad en base de pilar sea inferior a 100mm (M < 0.1·N), puede considerarse un reparto uniforme de la carga axil en base de pilar sobre los pilotes:

    Nki = Nk / n, con

    Nki: axil en babeza de pilote
    Nk: axil en base de pilar
    n: número de pilotes

  • Rozamiento negativo

    La situación de rozamiento negativo se produce cuando el asiento del terreno circundante al pilote es mayor que el asiento del pilote. Debe estudiarse el posible desarrollo de rozamiento negativo cuando se dé alguna de las circunstancias siguientes:

    a) consolidación por su propio peso de rellenos o niveles de terreno de reciente deposición;
    b) consolidación de niveles compresibles bajo sobrecargas superficiales;
    c) variaciones del nivel freático;
    d) humectación de niveles colapsables;
    e) asientos de materiales granulares inducidos por cargas dinámicas (vibraciones, sismo);
    f) subsidencias inducidas por excavaciones o disolución de materiales profundos.

    El rozamiento unitario negativo en el fuste se calculará con la expresión:
    rozamiento negativo, siendo
    i: cada una de las unidades geotécnicas consideradas a lo largo del pilote;
    β: 0,25 en arcillas y limos blandos; 0,1 en arenas flojas y 0,8 en arenas densas;
    σ'vi: la tensión efectiva en el punto del fuste considerado

3.- COMPROBACIÓN A HUNDIMIENTO

Se realizan las verificaciones según DB-SE-C, con los coeficientes parciales de seguridad de la tabla 2.1., donde

  • γE: coeficiente parcial para el efecto de las acciones.
  • γF: coeficiente parcial para las acciones.
  • γM: coeficiente parcial para las propiedades de los materiales.
  • γR: coeficiente parcial de resistencia.

Coeficientes parciales de seguridad de la tabla 2.1:

Situación γR γM γE γF
Persistente o transitoria 3.0(1) 1.0 1.0 1.0

(1) Se adopta este coeficiente para cálculos a largo o corto plazo con fórmulas analíticas.

Comprobaciones que se realizan:

(Nk + Fs,neg) · γF ≤ Rcd = Rck / γR

donde:

Nk: Carga vertical de compresión sobre la cabeza del pilote
Fs,neg: Rozamiento negativo en el fuste
Rck(Carga de hundimiento) = Rpk + Rfk

siendo
Rpk la parte de la resistencia que se supone soportada por la punta;
Rfk la parte de la resistencia que se supone soportada por el contacto pilote-terreno en el fuste.

resistencia hundimiento pilote

Resistencia por punta

Rpk = qp · Ap

siendo

qp la resistencia unitaria por la punta según:

  • En suelos granulares, se puede estimar con la expresión siguiente:

    qp = fp· σ'vp · Nq ≤ 20 MPa

    siendo

    fp = 3 para pilotes hincados;
    fp = 2,5 para pilotes hormigonados in situ;
    σ'vp la presión vertical efectiva al nivel de la punta antes de instalar el pilote;
    Nq el factor de capacidad de carga definido por la expresión:
    factor de capacidad de carga
    donde φ es el ángulo de rozamiento interno del suelo.

  • En suelos arcillosos o limosos:

    La carga de hundimiento de pilotes verticales en suelos limosos o arcillosos, evaluada mediante fórmulas estáticas, debe calcularse en dos situaciones que corresponden al hundimiento sin drenaje o a corto plazo y el hundimiento con drenaje o a largo plazo:

    A corto plazo

    • se podrá obtener mediante la expresión siguiente:
      qp = Np · cu, siendo:
    • cu la resistencia al corte sin drenaje del suelo limoso o arcilloso, teniendo en cuenta la presión de confinamiento al nivel de la punta (entorno comprendido entre dos diámetros por encima y dos diámetros por debajo de ella) obtenida en célula triaxial o, en su caso, ensayo de compresión simple.
    • Np depende del empotramiento del pilote, pudiéndose adoptar un valor igual a 9.

    A largo plazo,

    • se utilizará la expresión correspondiente a suelos granulares, con el ángulo de rozamiento efectivo deducido de los ensayos de laboratorio, y despreciando el valor de la cohesión.

Ap el área de la punta:

  • El área de la punta a utilizar en el cálculo es igual al área de la sección transversal del pilote al nivel de la punta (pilotes de extracción) o a la proyección sobre el plano transversal del área del azuche en pilotes hincados
  • En los pilotes huecos hincados, se toma como área de la punta el total de la superficie encerrada por el contorno externo.

En casos de terreno heterogéneo, se supone que la carga de hundimiento por la punta está controlada por un terreno con las características medias de la zona comprendida entre tres diámetros bajo la punta (zona activa inferior) y seis diámetros sobre la punta (zona pasiva superior), aproximadamente.

En las situaciones en las que bajo la punta existan zonas arcillosas de menor resistencia, que reduzcan la resistencia unitaria por punta "qp", dicho valor vendrá limitado por la expresión:
reducción resistencia por punta
siendo
H la distancia de la punta del pilote al estrato del suelo cohesivo blando inferior;
D el diámetro real o equivalente (igual área) del pilote;
cu la resistencia al corte sin drenaje del suelo cohesivo blando.

Si la separación entre pilotes es inferior a la distancia de la punta del pilote al nivel del suelo cohesivo blando inferior debe considerarse el efecto combinado del grupo de pilotes para estimar la carga de hundimiento y el posible asiento de la cimentación.

Resistencia por fuste

Rfk = Σ τf · Af

siendo

Af el área del contacto entre el fuste del pilote y el terreno en cada tramo;

τf la resistencia unitaria por fuste en cada tramo.

  • En suelos granulares, se puede estimar con la expresión siguiente

    τf = σ'v · kf · f · tgφ ≤ 120 KPa

    siendo

    • σ'v la presión vertical efectiva al nivel considerado;
    • Kf el coeficiente de empuje horizontal;
      Kf = 1.00, para pilotes hincados
      Kf = 0.75, para pilotes perforados.
    • f el factor de reducción del rozamiento del fuste;
      f = 1.0, para pilotes de hormigón "in situ" o de madera
      f = 0.9, para pilotes prefabricados de hormigón
      f = 0.8, para pilotes de acero en el fuste.
    • φ el ángulo de rozamiento interno del suelo granular.

  • En suelos arcillosos o limosos:

    Debe calcularse en dos situaciones que corresponden al hundimiento sin drenaje o a corto plazo y el hundimiento con drenaje o a largo plazo:

    A corto plazo

    • se podrá obtener mediante la expresión siguiente:
      resistencia por fuste corto plazo
    • En pilotes con fuste de acero en suelos finos, el valor de τf a corto plazo se afectará por un coeficiente reductor de 0,8.

    A largo plazo,

    • se utilizará la expresión correspondiente a suelos granulares, con el ángulo de rozamiento efectivo deducido de los ensayos de laboratorio, y despreciando el valor de la cohesión.
    • La resistencia unitaria por fuste a largo plazo τf no superará, salvo justificación, al valor límite de 0,1 MPa.

Efecto grupo

De forma general, para el cálculo de los pilotes, no se considerará el efecto grupo para una separación entre ejes de pilotes igual o mayor a 3 diámetros.

A partir de grupos de 4 pilotes se debe considerar que la proximidad entre los pilotes se traduce en una interacción entre ellos, siendo la carga que produce el hundimiento del grupo Rckg:

Rckg = η · n · Rckg

siendo

  • η: coeficiente de eficiencia
    η = 1.0, para separaciones entre ejes iguales o superiores a 3D.
    η = 0.7, para separaciones de 1D
    Para separaciones entre 1D y 3D se interpolará linealmente entre 0,7 y 1.
  • n: el numero de pilotes
  • Rck: carga de hundimiento del pilote aislado

Pilotes en roca

El valor de cálculo de la resistencia por punta en roca qp,d de los pilotes excavados se podrá calcular de acuerdo con lo siguiente:

qp,d = Ksp · qu · df

siendo:

  • Ksp (coeficiente función de la apertura y espaciamiento de las discontinuidades de la roca)
    coeficiente     0.1 ≤ Ksp ≤ 0.5
    s: espaciamiento de las discontinuidades; s > 300 mm
    B: anchura del cimiento en m; 0,05 < s/B < 2
    a: apertura de las discontinuidades; a< 5 mm en junta limpia, a< 25 mm en junta rellena con suelo o con fragmentos de roca alterada; siendo 0 < a/s < 0,02
  • qu: la resistencia a compresión simple de la roca
  • df = 1+0.4·Lr/d ≤ 3
  • Lr: profundidad de empotramiento en roca de la misma o mejor calidad que la existente en la base del apoyo
  • d: diámetro real o equivalente (igual área) del pilote

Dentro de esta zona de roca se debe considerar, para la evaluación de la resistencia de los pilotes perforados, un valor de cálculo de la resistencia unitaria por fuste τf,d (MPa) igual a:

τf,d = 0.2 · qu0.5

qu, vendrá especificado en MPa, debiéndose verificar siempre que la roca es estable en agua.


4.- COMPROBACIONES ESTRUCTURALES

Tope estructural (DB-SE-C, 5.3.8.1)

El tope estructural o carga nominal es el valor de cálculo de la capacidad resistente del pilote. Se debe comprobar que, la solicitación axil sobre cada pilote, no supere este tope.

Comprobación que se realiza:

Nk + Fs,neg ≤ Qtope = σ . A

donde:

  • Nk: solicitación axil sobre el pilote
  • Fs,neg: Rozamiento negativo en el fuste
  • A: el área de la sección transversal del pilote
  • σ: la tensión tope del pilote (tabla 5.1)

    Tabla 5.1. Valores recomendados para el tope estructural de los pilotes

    Procedimiento Tipo de pilote Valores de σ (Mpa)
    Hincados Hormigón pretensado o postesado 0,30 (fck – 0,9 fpk)
    Hormigón armado 0,30 fck
    Metálicos 0,30 fyk
    Madera 5
     
    Tipo de apoyo
    Suelo firme Roca
    Perforados(1) Entubados 5 6
    Lodos 4 5
    En seco 4 5
    Barrenados sin control de parámetros 3,5 -
    Barrenados con control de parámetros 4 -

    (1) Con un control adecuado de la integridad, los pilotes perforados podrán ser utilizados con topes estructurales un 25% mayores.

  • fck es la resistencia característica del hormigón
  • fpk es la tensión introducida en el hormigón por el pretensado
  • fyk es el límite elástico del acero

Comprobaciones en pilotes perforados de hormigón armado, según EHE-08

Coeficientes de seguridad parciales (DB-SE-C, tabla 2.1)

Situación Coeficiente parcial para el efecto de las acciones (esfuerzos) Coeficiente parcial para las propiedades de los materiales. γM (de EHE-08)
γE γc γs
Persistente o transitoria 1.6 1.5 1.15

Disposición de cuantías mínimas de armado

Se disponen cuantías análogas a las de un soporte:

  • Armado mínimo longitudinal según art. 42.3.3 y 42.3.5, e indicaciones del art. 54
  • Armado mínimo transversal según art. 44.2.3.4.1.

Comentarios

Complacido de su atencion

Sin comentarios

Muy buen trabajo.
Enhorabuena.

Que lindo

Buen trabajo amigo

¿Se pueden introducir los datos del terreno obtenidos del geotécnico si son diferentes a los reflejados por el programa?. Gracias

Hola Mianleca, supongo que lo que quieres decir es que no dispones de los datos que te pide el programa, por lo que debes deducirlos de tu estudio geotécnico.

Hola Francisco.
Tengo un geotécnico que me indica para un terreno granular una resistencia por fuste de 100 kPa y una resistencia en punta de 8 MPa, quería comprobar que parámetros de densidad y ángulo de rozamiento le corresponden y según los datos del geotécnico son 19,2 y 28 respectivamente muy similares a los que aparecen como valores típicos para terrenos granulares en vuestro programa pero me parece observar que las resistencias varían. gracias

Hola Mianleca, te aconsejo calcular con los valores de densidad y ángulo de rozamiento del terreno, ya que las resistencias en punta y fuste dependen de esos valores.